مدل‌سازی و مقایسۀ اثر زبری سطوح شیرهای توپی و پروانه‌ای در ایجاد کاویتاسیون و هدررفت انرژی در شبکۀ گازرسانی کشور

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، گروه مکانیک، دانشگاه صنعتی خاتم الانبیا، بهبهان، ایران

2 دانشجوی کارشناسی‌ارشد، مهندسی سیستم‌های انرژی، دانشگاه صنعتی خاتم الانبیا، بهبهان، ایران؛ مهندس ارشد شرکت توزیع گاز بهبهان

3 مهندس ارشد مجتمع گاز پارس جنوبی

10.22059/ses.2025.390078.1119

چکیده

شیرهای صنعتی، به‌ویژه انواع توپی و پروانه‌ای، در فرایندهای کنترل جریان و فشار در صنایع مختلف، نظیر گازرسانی، نقش حیاتی دارند. از مهم‌ترین چالش‌های عملکردی این شیرها، پدیدۀ کاویتاسیون است که به دلیل کاهش فشار سیال درون شیر رخ می‌دهد و می‌تواند به آسیب‌های جدی به سطوح داخلی شیرها و کاهش عمر مفید آن‌ها منجر شود. این مقاله به بررسی و مدل‌سازی اثرات زبری سطوح داخلی شیرهای توپی و پروانه‌ای بر پدیدۀ کاویتاسیون در شبکه‌های گازرسانی پرداخته است. تحقیق حاضر به‌ طور خاص به تأثیر زبری سطوح داخلی شیرها بر ایجاد و شدت کاویتاسیون می‌پردازد. در این راستا، شیرهای توپی و پروانه‌ای با ابعاد مشابه انتخاب و تحت شرایط یکسان شبیه‌سازی شده‌اند. شبیه‌سازی‌های عددی با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی برای تحلیل رفتار جریان و کاویتاسیون انجام‌ گرفته است. نتایج نشان می‌دهند افزایش زبری سطح داخلی شیرها باعث ایجاد نواحی با تنش‌های متمرکز در جریان سیال می‌شود که این نواحی مستعد کاویتاسیون شدیدتر هستند. این اثر به‌ویژه در شیرهای با سطوح زبر و ناصاف بیشتر مشهود است. علاوه بر این، تغییر هندسۀ شیرها و بررسی پارامترهایی همچون زبری سطح، فشار ورودی و دمای سیال می‌تواند به طور قابل ‌توجهی بر شدت و توزیع کاویتاسیون تأثیر بگذارد و در نتیجه، امکان بهینه‌سازی طراحی شیرها برای کاهش آسیب‌های ناشی از کاویتاسیون فراهم شود. این پژوهش می‌تواند به طراحی شیرهای صنعتی با عمر طولانی‌تر و کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری کمک کند و اثرات منفی کاویتاسیون را در سیستم‌های گازرسانی کاهش دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Modeling and Comparison of the Effect of Surface Roughness in Ball and Butterfly Valves on Cavitation Formation and Energy Loss in the National Gas Distribution Network

نویسندگان [English]

  • Masoud Dorfeshan 1
  • Sadegh Sotoudeh 2
  • Mohsen Dorfeshan 3
1 Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, Khatam Al-Anbia University of Technology, Behbahan, Iran
2 Msc. Student, Energy Systems engineering, Khatam Al-Anbia University of Technology, Behbahan, Iran; Senior Engineer at Behbahan Gas Distribution Company
3 Senior Engineer at south pars gas complex
چکیده [English]

Industrial valves, particularly ball and butterfly valves, play a crucial role in flow and pressure control within gas distribution networks. One of the major operational challenges in these valves is cavitation, which occurs due to a drop in fluid pressure inside the valve, leading to severe damage to internal surfaces and reduced service life. This study models and analyzes the impact of surface roughness on cavitation formation in ball and butterfly valves used in gas distribution systems. Computational fluid dynamics (CFD) simulations were conducted under identical conditions to examine the influence of surface roughness on cavitation intensity. The results indicate that increased surface roughness creates localized stress concentrations in the flow, making these regions more prone to severe cavitation, particularly in valves with rougher surfaces. Additionally, variations in valve geometry, surface roughness, inlet pressure, and fluid temperature significantly affect cavitation distribution and intensity. These findings highlight the potential for optimizing valve design to minimize cavitation damage, enhance durability, and reduce maintenance costs in gas distribution systems.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Surface Roughness
  • Cavitation
  • Industrial Valves
  • Numerical Simulation
  • Energy Loss

مراجع

  • Sun X, Kim HS, Yang SD, Kim CK, Yoon JY. Numerical investigation of the effect of surface roughness on the flow coefficient of an eccentric butterfly valve. Journal of Mechanical Science and Technology. 2017 Jun;31:2839-48.
  • Yuzawa S, Hashizume T, Okutsu R, Outa E. Trends of cavitation erosion development in a contoured-plug valve. Waseda Univ., Tokyo (JP); 1999 Jul 1.
  • Guan Song X, Park YC. Numerical analysis of butterfly valve-prediction of flow coefficient and hydrodynamic torque coefficient. InProceedings of the world congress on Engineering and computer science 2007 Oct (pp. 24-26).
  • Ibrahim G, Al-Otaibi Z, Ahmed HM. An Investigation of Butterfly Valve Flow Characteristics Using Numerical.
  • Vakili-Tahami F, Zehsaz M, Mohammadpour M, Vakili-Tahami A. Analysis of the hydrodynamic torque effects on large size butterfly valves and comparing results with AWWA C504 standard recommendations. Journal of Mechanical science and Technology. 2012 Sep;26:2799-806.
  • Kapre AV, Dodia Y. Flow analysis of butterfly valve using CFD. Int. J. Res. Eng. Technol. 2015 Nov;4:95-9.
  • Del Toro A, Johnson MC, Spall RE. Computational fluid dynamics investigation of butterfly valve performance factors. Journal‐American Water Works Association. 2015 May;107(5):E243-54.
  • Kerh T, Lee JJ, Wellford LC. Transient fluid-structure interaction in a control valve. 1997: 354-359.
  • Chern MJ, Wang CC, Ma CH. Performance test and flow visualization of ball valve. Experimental thermal and fluid science. 2007 May 1;31(6):505-12.
  • Hong Gao, Xin Fu, Hua-yong Yang, T. Tsukiji. Numerical and experimental investigation of cavitating flow within hydraulic poppet valve. Journal of Mechanical Engineering. 2002 Aug;38(8):27-30.
  • Yang BS, Hwang WW, Ko MH, Lee SJ. Cavitation detection of butterfly valve using support vector machines. Journal of sound and vibration. 2005 Oct 6;287(1-2):25-43.
  • Davis JA, Stewart M. Predicting globe control valve performance—Part I: CFD modeling. J. Fluids Eng.. 2002 Sep 1;124(3):772-7.
  • Leino T, Koskinen KT, Vilenius M. CFD-Modelling of a water hydraulic poppet valve-Comparison of different modelling parameters. InThe Eight Scandinavian International Conference on Fluid Power, Proceedings of the Conference, May 7-9, 2003, Tampere, Finland, SICFP´ 03 2003 (pp. 277-286). Tampere University of Technology.
  • Koivula T, Ellman A, Vilenius M. Experiences on cavitation detection methods. Tampere University of Technology, Institute of Hydraulics and Automation, Tampere. 2000.
  • Zhang G, Zhang HT, Wu ZY, Wu X, Kim HD, Lin Z. Experimental studies of cavitation evolution through a butterfly valve at different regulation conditions. Experiments in Fluids. 2024 Jan;65(1):4.
  • Wang J, Song Y, Liu J, Zhang L. Research on the characteristics of two-phase flow-induced noise in the cavitation dynamics of electronic expansion valves. Physics of Fluids. 2024 Jan 1;36(1).
  • Zhang K, Wu D, Wang J, Song Y. Numerical and experimental investigation of cavitation characteristics of the electronic expansion valves. Physics of Fluids. 2024 Apr 1;36(4).
  • Lei L, Lei Z, Chuanhui H, Huafeng G, Jiaxiang M, Ping Y. Study on the relevance between cavitation and cavitation erosion of pure water hydraulic control check valve under the impact of high pressure and large flow. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. 2024 Feb;46(2):100.
  • Zhang HT, Wu X, Suryan A, Lin Z, Zhang G. Experimental study on cavitation inhibition in a butterfly valve with different plate shapes. Physics of Fluids. 2024 Feb 1;36(2).
  • Wang B, Cai PC, Wang F, Xu C. Cavitation mechanism study and failure analysis of high-pressure ball valve. Engineering Failure Analysis. 2025 Mar 15;170:109269.
  • Xu X, Bi J, Fang L, Li A, Wang Z, Li Q. Experimental and numerical study on the quasi-periodic pulsation characteristics of cavitation flow in a control valve. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. 2025 Feb 1;167:105911.
  • Li DQ, Grekula M, Lindell P. Towards numerical prediction of unsteady sheet cavitation on hydrofoils. Journal of Hydrodynamics. 2010 Oct;22(1):699-704.
  • Karim MM, Ahmmed MS. Numerical study of periodic cavitating flow around NACA0012 hydrofoil. Ocean Engineering. 2012 Dec 1;55:81-7.
  • Dular M, Bachert R, Stoffel B, Širok B. Experimental evaluation of numerical simulation of cavitating flow around hydrofoil. European Journal of Mechanics-B/Fluids. 2005 Jul 1;24(4):522-38.
  • Fiala A, Ku¨ geler E. Roughness modeling for turbomachinery. InTurbo Expo: Power for Land, Sea, and Air 2011 Jan 1 (Vol. 54679, pp. 595-607).
  • Kang YS, Yoo JC, Kang SH. Numerical study of roughness effects on a turbine stage performance. InTurbo Expo: Power for Land, Sea, and Air 2004 Jan 1 (Vol. 41707, pp. 1267-1274).
  • Yun YI, Park IY, Song SJ. Performance degradation due to blade surface roughness in a single-stage axial turbine. InTurbo Expo: Power for Land, Sea, and Air 2004 Jan 1 (Vol. 41707, pp. 1027-1035).
فصلنامه سیستم های انرژی پایدار
دوره 4، شماره 2
فروردین 1404
صفحه 139-155

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار