Increasing Flow Coefficient Characteristics by Using Computational Fluid Dynamics Analysis in Butterfly Valve Designs

Abstract

In this article; computer-aided design and prototype production studies carried out to increase the efficiency of a double eccentric butterfly valve, reduce its carbon footprint and provide energy savings were included. With the prototype developed by computational fluid dynamics (CFD/HAD) and finite element method (FEA/SEA), a product with increased disc strength, optimized valve weight, and reduced energy losses by minimizing resistance to flow has been designed. With the intensive use of simulation techniques, the competitive conditions of environmentally friendly and highly efficient valves have been improved and an innovative product has been introduced to the market. For strength and flow optimizations, the optimized valve design was carried out by analyses with the ANSYS (Fluent / CFX and Mechanical) program in the computer environment. A prototype has been developed that can operate at high flow coefficients and has the lowest energy losses in the industry with a different valve design. With the Solidworks sustainability report, the carbon footprint and total consumed energy values has been carried out.

Keywords

• Butterfly valve
• CFD
• computer aided design
• CFX Fluent
• finite element analysis

Kelebek Vana Tasarımlarında Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Analizleri Kullanılarak Akış Katsayısı Özelliklerinin Artırılması

Abstract

Bu makalede; çift eksantrikli bir kelebek vananın verimini arttırmak, karbon ayak izini düşürmek, enerji tasarrufunu sağlamak için gerçekleştirilen bilgisayar destekli tasarım ve prototip üretim çalışmalarına yer verilmiştir. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD/HAD) ve sonlu elemanlar yöntemi (FEA/SEA) ile geliştirilmiş olan prototip ile klape mukavemeti arttırılmış, vana ağırlığı optimize edilmiş ve akışa karşı direnci en aza indirilerek enerji kayıpları azaltılmış bir ürün tasarlanmıştır. Simülasyon tekniklerinin yoğun olarak kullanılması ile çevreye duyarlı ve yüksek verimli vanaların rekabet koşulları iyileştirilmiş olup pazara yenilikçi bir ürün sunulmuştur. Mukavemet ve akış optimizasyonları için bilgisayar ortamında ANSYS (Fluent / CFX ve Mechanical) programı ile analizler yapılması neticesinde optimize edilen vana tasarımı gerçekleştirilmiştir. Yüksek akış katsayılarında çalışabilen ve aynı zamanda farklı bir klape tasarımı ile sektörde en düşük enerji kayıplarına sahip bir prototip geliştirilmiştir. Solidworks sürdürülebilirlik raporu ile karbon ayak izi ve toplam tüketilen enerji değerleri tespit edilmiş olmakla birlikte yerli ve yabancı rakipler arasında en az basınç kayıp değerine sahip çift eksantrik kelebek vananın tasarımı gerçekleştirilmiştir.

Keywords

• Kelebek vana
• HAD
• bilgisayar destekli tasarım
• CFX Fluent
• sonlu elemanlar analizi

Supporting Institution

KOSGEB

Thanks

KOSGEB Ar-Ge İnovasyon Destek Programı kapsamında başarıyla tamamlanan “Akış Direnci Minimize Edilmiş, Düşük Torklarla Çalışan, Korozyon Dayanımı Artırılmış, Yüksek Performanslı Yeni Nesil Kelebek Vana” başlıklı projemize verdiği destek sebebiyle KOSGEB’e, “Çift Eksantrik Kelebek Vana” ve “Yeni Gövde Tasarımına Sahip Çift Eksantrik Kelebek Vana” başlıklı buluşlarımızın ulusal ve uluslararası patent sürecinde verdiği destek sebebiyle Türk Patent ve Marka Kurumu’na teşekkürlerimizi sunarım.

References

1. [1] Keskin, G. 2019. Doğal havalandırmalı plastik serada bazı iklim parametrelerinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği (had) ile belirlenmesi: hatay ili örneği. Hatay Mustafa Kemal Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Hatay.
2. [2] Cemek, B., Atiş, A., Küçüktopçu, E. 2017. Evaluation of temperature distribution in different greenhouse models using computational fluid dynamics (CFD). Anadolu Tarım Bilimleri Dergisi, 32(1), 54-63.
3. [3] Aslanbay Güler B., İmamoğlu, E. 2020. Bilgisayar destekli simülasyon ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği. Türk Bilimsel Derlemeler Dergisi, 13(1), 42-52.
4. [4] Küçüktopçu, E. 2016. Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) Kullanarak Kümes İçi Çevre Koşullarının Belirlenmesi. Ondokuz Mayıs Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Samsun.
5. [5] Arsenoaia, V., Vlâduţ, V., Ţenu, I., Voicea, I., Moiceanu, G., Cârlescu, P. M. 2019. Mathematical Modeling and Numerical Simulation of the Drying Process of Seeds in a Pilot Plant. INMATEHAgricultural Engineering, 57(1), 55-62.
6. [6] Malekjani, N., Jafari, S.M. 2018. Simulation of food drying processes by Computational Fluid Dynamics (CFD); recent advances and approaches. Trends in Food Science and Technology, 78, 206-223.
7. [7] Süfer Ö., Kumcuoğlu, S., Tavman, Ş. 2016. Gıda Mühendisliğinde Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Uygulamaları. Akademik Gıda, 14(4), 465-471.
8. [8] Skousen, P.L. 1997. Valve Handbook, Mc GrawHill Company, 121-155.

9. [9] Zappe, R.W. 1998. Valve Selection Handbook, Fourth Edition, GP Publising, 73-76.
10. [10] Nesbitt, B. 2007. Handbook of Valves and Actuators, Elsevier, 96-102.
11. [11] Flitney, R. 2007. Seals and Sealing Handbook, Elsevier Inc., 59-64.
12. [12] Tokay, S. 2013. Vanalar ve Vana Uygulamaları, Duyar Akademi Yayınları Kitap Dizisi, No:1, 19- 31.
13. [13] Lin, Z., Sun, X., Yu, T., Zhang, Y., Li, Y., Zhu, Z. 2020. Gas–solid two-phase flow and erosion calculation of gate valve based on the CFD-DEM model, Powder Technology, 366, 395-407.
14. [14] Demir, U., Coşkun, G., Soyhan, H.S., Türkcan, A. 2022. Effects of variable valve timing on the air flow parameters in an electromechanical valve mechanism–A cfd study, Fuel 308(6), 121956.
15. [15] Filo, G., Lisowski, E., Rajda, J. 2019. Flow analysis of a switching valve with innovative poppet head geometry by means of CFD method, Flow Measurement and Instrumentation, 70, 101643.
16. [16] Trokhaniak, V.I., Rogovski, I.L., Titova, L.L., Dziubata, Z.I., Luzan, P.H., Popyk, P.S. 2020. Using CFD Simulation to Investigate the Impact of Fresh air Valves on Poultry House Aerodynamics in Case of a Side Ventilation System, 62(3), 155- 164)
17. [17] Duan, Y., Revell, A., Sinha, J., Hahn, W. 2019. A computational fluid dynamics (CFD) analysis of fluid excitations on the spindle in a high-pressure valve, International Journal of Pressure Vessels and Piping, 175, 103922.
18. [18] Hurtado-Misal, A.D., Hernández-Sanjuan, D., Coronado-Hernández, Ó. E., Espinoza-Román, H.G., Espinoza-Román, V.S., 2021. Analysis of subatmospheric pressures during emptying of an Irregular pipeline without an air valve using a 2D CFD model, Water 13(18), 2526.
19. [19] Liu, N., Liu, Z., Li, Y., Sang, L. 2019. An optimization study on the seal structure of fullyrotary valve energy recovery device by CFD, Desalination, 459, 46-58.
20. [20] Bhowmik, P.K., Suh, K.Y. 2021. Flow mapping using 3D full-scale CFD simulation and hydrodynamic experiments of an ultrasupercritical turbine’s combined valve for nuclear power plant, International Journal of Energy and Environmental Engineering, 12(3) 365-381.
21. [21] Saha, B.K., Li, S, Lv, X., 2020. Analysis of pressure characteristics under laminar and turbulent flow states inside the pilot stage of a deflection flapper servo-valve: Mathematical modeling with CFD study and experimental validation, Chinese Journal of Aeronautics 33(3), 1107-1118.
22. [22] Vellguth, K., Brüning, J., Tautz, L., Seidel, F. 2019. User-dependent variability in mitral valve segmentation and its impact on CFD-computed hemodynamic parameters, International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery, 14(1), 1687-1696.
23. [23] Wang, M., Wang, Y., Tian, W., Qiu, S., Su, G.H. 2021. Recent progress of CFD applications in PWR thermal hydraulics study and future directions, Annals of Nuclear Energy 150, 107836