Análisis CFD de tubería acodada interior soldada a tope
Análisis CFD de la mezcla de flujo de agua dentro de tuberías acodadas soldadas a tope: Una comparación de diseños de bordes afilados y de bordes normales
Introducción
Los tubos acodados son componentes críticos en los sistemas de tuberías., permitiendo cambios direccionales en el flujo de fluido. Sin embargo, su diseño afecta significativamente la dinámica del flujo, consumo de energía, e integridad estructural del sistema. Este estudio se centra en la Dinámica de fluidos computacional (CFD) análisis del flujo de agua dentro de dos tipos de tubos acodados soldados a tope: uno con bordes afilados y el otro con bordes normales. El objetivo es comparar el comportamiento del flujo., distribución de presión, magnitud de la velocidad, y características de turbulencia en ambos diseños para determinar cuál es el tubo acodado de mejor rendimiento..
El análisis se realizó utilizando un 2modelo D creado en SolidWorks, entrelazado con GAMBITO, y simulado en ANSYS fluido. Manteniendo todas las condiciones idénticas para ambos casos., El estudio proporciona una comparación justa de los dos diseños.. Los resultados revelan diferencias significativas en las características del flujo., eficiencia energética, y posibles riesgos de fallo, favoreciendo el tubo acodado de borde normal como diseño superior.
Metodología
1. Modelado y Geometría
- Creación de geometría:
- Se crearon dos diseños de tubos acodados en SolidWorks:
- Tubo acodado con bordes afilados: Presenta transiciones abruptas en las esquinas..
- Tubo acodado con bordes normales: Características suaves, transiciones redondeadas.
- Los modelos fueron exportados como Archivos IGES para su posterior procesamiento.
- Se crearon dos diseños de tubos acodados en SolidWorks:
- Dimensiones:
- Diámetro de la tubería: 100 milímetros.
- Ángulo del codo: 90°.
- Grosor de la pared: 5 milímetros.
2. Generación de malla
- Herramienta de mallado: GAMBITO se utilizó para generar la malla computacional.
- Tipo de malla:
- Malla estructurada con elementos cuadriláteros para una mayor precisión..
- Malla más fina cerca de las paredes para capturar efectos de capa límite.
- Calidad de la malla:
- La relación de aspecto y la asimetría se optimizaron para garantizar la estabilidad numérica..
- Número total de elementos: ~50.000 para cada modelo.
3. Configuración de simulación
- solucionador: ANSYS fluido se utilizó para simulaciones CFD.
- Condiciones de flujo:
- Líquido: Agua.
- Tipo de flujo: Estado estable, incompresible.
- Velocidad de entrada: 2 EM.
- Salida: Salida de presión (0 Presión manométrica Pa).
- Muro: Condición de contorno antideslizante.
- Modelo de turbulencia:
- modelo de turbulencia k-ε fue elegido por su robustez en la simulación de flujos turbulentos.
- Criterios de convergencia:
- Residuos para la continuidad, impulso, y las ecuaciones de turbulencia se establecieron en 10 ^ -6.
Resultados y discusión
Los resultados del análisis CFD se presentan a continuación., comparando el tubo acodado con bordes afilados y el tubo acodado de bordes normales en términos de presión total, magnitud de la velocidad, y energía cinética de turbulencia. Los hallazgos se resumen en tablas y se analizan en detalle..
1. Distribución de presión total
Observaciones:
- Tubo acodado con bordes afilados:
- Significativo zonas de baja presión (despierta) fueron observados cerca de los bordes afilados.
- La separación del flujo se produjo debido a cambios abruptos en la geometría., provocando pérdidas de energía.
- Se requiere una mayor potencia de bombeo para superar estas pérdidas..
- Tubo acodado con bordes normales:
- Distribución suave de la presión sin estelas significativas..
- El flujo permaneció pegado a las paredes., reduciendo el consumo de energía.
Trascendencia:
- El diseño de bordes afilados aumenta los costos de energía y reduce la eficiencia del sistema..
- El diseño de bordes normales es más eficiente energéticamente y menos propenso a fallas inducidas por el flujo..
| Parámetro | Tubo acodado con bordes afilados | Tubo acodado con bordes normales |
|---|---|---|
| Presión máxima (Pensilvania) | 150,000 | 145,000 |
| Presión mínima (Pensilvania) | -20,000 | -5,000 |
| Zonas de baja presión (despierta) | Presente | Ausente |
2. Magnitud de la velocidad
Observaciones:
- Tubo acodado con bordes afilados:
- Se observaron altas variaciones de velocidad., especialmente cerca de los bordes afilados.
- La separación del flujo provocó una distribución desigual de la velocidad., aumentando el riesgo de vibraciones y ruido.
- Las regiones de alta velocidad condujeron a la concentración de tensiones., lo que podría resultar en grietas con el tiempo.
- Tubo acodado con bordes normales:
- La distribución de la velocidad fue más uniforme..
- Se observó una pequeña región de alta velocidad en la entrada debido a ligeras irregularidades geométricas., pero se estabilizó rápidamente.
- Las variaciones de velocidad reducidas minimizaron la concentración de tensión y el ruido..
Trascendencia:
- El diseño de bordes afilados es más propenso a fallas estructurales e ineficiencias operativas..
- El diseño de bordes normales garantiza un flujo más suave y una mayor durabilidad..
| Parámetro | Tubo acodado con bordes afilados | Tubo acodado con bordes normales |
|---|---|---|
| Velocidad máxima (EM) | 6.5 | 5.8 |
| Velocidad mínima (EM) | 0.2 | 0.5 |
| Variación de velocidad | Alto | Bajo |
3. Energía cinética de turbulencia (TKE)
Observaciones:
- Tubo acodado con bordes afilados:
- Se observaron altos niveles de turbulencia cerca de los bordes afilados..
- La turbulencia provocó patrones de flujo desiguales, aumentando la probabilidad de erosión y desgaste de materiales.
- Tubo acodado con bordes normales:
- Los niveles de turbulencia fueron significativamente más bajos.
- Las transiciones suaves reducen la generación de turbulencias, mejorando la estabilidad del flujo.
Trascendencia:
- El diseño de bordes afilados acelera el desgaste., reduciendo la vida útil de la tubería.
- El diseño de bordes normales minimiza las turbulencias., asegurando confiabilidad a largo plazo.
| Parámetro | Tubo acodado con bordes afilados | Tubo acodado con bordes normales |
|---|---|---|
| TKE máximo (m²/s²) | 12.5 | 8.2 |
| TKE mínimo (m²/s²) | 0.1 | 0.05 |
| Zonas de alta turbulencia | Presente | Ausente |
4. Separación de flujo y estelas
Observaciones:
- Tubo acodado con bordes afilados:
- La separación del flujo se produjo en los bordes afilados., creando zonas de recirculación.
- Estas zonas aumentaron las pérdidas de energía y requirieron mayor potencia de bombeo..
- Tubo acodado con bordes normales:
- Flow permaneció adherido a las paredes durante todo el codo..
- No se observaron zonas de recirculación significativas..
Trascendencia:
- El diseño de bordes afilados compromete la eficiencia del flujo y aumenta los costos operativos..
- El diseño de bordes normales garantiza un flujo suave, reduciendo el consumo de energía.
| Parámetro | Tubo acodado con bordes afilados | Tubo acodado con bordes normales |
|---|---|---|
| Separación de flujo | Presente | Ausente |
| Zonas de recirculación | Significativo | Despreciable |
Comparación de eficiencia energética
El tubo acodado con bordes afilados requiere más potencia de bombeo debido a las mayores pérdidas de energía causadas por la separación del flujo y la turbulencia.. El tubo acodado de bordes normales, con sus características de flujo más suave, es más eficiente energéticamente.
| Parámetro | Tubo acodado con bordes afilados | Tubo acodado con bordes normales |
|---|---|---|
| Poder de bombeo (kilovatios) | 12.5 | 10.2 |
| Eficiencia Energética | Bajo | Alto |
Integridad estructural e implicaciones de diseño
1. Concentración de estrés
- Los diseños con bordes afilados crean regiones de alta tensión debido a las variaciones de velocidad y la turbulencia., aumentando el riesgo de grietas y fallas del material.
- Los diseños con bordes normales reducen la concentración de tensiones, mejorando la durabilidad.
2. Ruido y vibraciones
- Los diseños con bordes afilados generan patrones de flujo desiguales, lo que genera ruidos y vibraciones que pueden afectar el rendimiento del sistema..
- Los diseños de bordes normales garantizan un funcionamiento más silencioso y suave.
Conclusión
El Análisis de CFD del flujo de agua dentro de los tubos acodados soldados a tope revela que la tubo acodado de bordes normales supera al tubo acodado con bordes afilados en términos de eficiencia de flujo, consumo de energía, e integridad estructural. Los hallazgos clave incluyen:
- Presión total:
- Los diseños de bordes afilados crean zonas y estelas de baja presión., aumento de las pérdidas de energía.
- Los diseños de bordes normales mantienen una distribución suave de la presión..
- Magnitud de la velocidad:
- Los diseños con bordes afilados exhiben altas variaciones de velocidad, lo que lleva a la concentración del estrés y al posible fallo..
- Los diseños de bordes normales garantizan una distribución uniforme de la velocidad..
- Energía cinética de turbulencia:
- Los diseños con bordes afilados generan altas turbulencias, desgaste acelerado.
- Los diseños de bordes normales minimizan la turbulencia, mejorando la confiabilidad.
- Eficiencia Energética:
- Los diseños con bordes normales requieren menos potencia de bombeo, reduciendo los costos operativos.
- Integridad estructural:
- Los diseños con bordes normales reducen la concentración de tensiones, ruido, y vibraciones, asegurando una vida útil más larga.
Recomendación final:
Para aplicaciones que involucran flujo de líquido, tubos acodados con bordes normales son la mejor opción debido a su rendimiento mejorado, eficiencia energética, y durabilidad. Se deben evitar los diseños con bordes afilados para minimizar las ineficiencias operativas y los costos de mantenimiento..
Trabajo futuro
- 3D Simulaciones:
- Amplíe el análisis a modelos 3D para obtener predicciones más precisas..
- Flujo multifásico:
- Investigar el comportamiento de flujos líquido-sólido o gas-líquido.
- Análisis de materiales:
- Estudiar el impacto de diferentes materiales sobre la erosión y el desgaste.
- Validación experimental:
- Realizar experimentos físicos para validar los resultados de CFD..
Al abordar estas áreas, Se pueden obtener más conocimientos sobre la optimización de los diseños de tubos acodados para diversas aplicaciones industriales..
Tubos ERW NEGRO. Soldado por resistencia eléctrica (REG) Los tubos se fabrican a partir de bobinas laminadas en caliente. / Rendijas. Todas las bobinas entrantes se verifican según el certificado de prueba recibido de la acería para determinar sus propiedades químicas y mecánicas.. La tubería ERW se conforma en frío hasta darle forma cilíndrica, no formado en caliente.
La tubería sin costura se fabrica extruyendo el metal a la longitud deseada.; por lo tanto, la tubería ERW tiene una junta soldada en su sección transversal, mientras que la tubería sin costura no tiene ninguna junta en su sección transversal a lo largo de su longitud. En tubería sin costura, no hay soldaduras ni juntas y está fabricado a partir de palanquillas redondas sólidas.
El 3 elementos de dimensión de tubería Estándares de dimensión de tubería de acero al carbono y inoxidable (ASME B36.10M & B36.19M) Programa de tamaño de tubería (Cronograma 40 & 80 tubo de acero significa) Medios del tamaño nominal de la tubería (NPS) y diámetro nominal (DN) Tabla de dimensiones de tubos de acero (Tabla de tallas) Horario de clases de peso de tubería (WGT)
Los tubos sin costura se fabrican mediante un proceso de perforación., donde un tocho sólido se calienta y se perfora para formar un tubo hueco. Tuberías soldadas, por otro lado, Se forman uniendo dos bordes de placas o bobinas de acero mediante diversas técnicas de soldadura..
La tubería de acero al carbono es altamente resistente a golpes y vibraciones, lo que la hace ideal para transportar agua., aceite & Gas y otros fluidos debajo de las carreteras.. Dimensiones Tamaño: 1/8″ a 48″ / Espesor de DN6 a DN1200: Sch 20, ETS, 40, XS, 80, 120, 160, Tipo XXS: Superficie de tubería sin costura o soldada: Cebador, Aceite antioxidante, FBE, 2educación física, 3Material recubierto de LPE: ASTM A106B, A53, API 5L B, X42, X46, X52, X56, X60, X65, Servicio X70: Corte, biselado, Enhebrado, Ranurado, Revestimiento, galvanizado
Las especificaciones de ASTM International para tubos de acero enumeran los requisitos estándar para tubos de calderas y sobrecalentadores., tubos de servicio general, tubos de acero en servicio de refinería, tubos intercambiadores de calor y condensadores, tubos mecanicos y estructurales.
