数値流体力学 (CFD) を使用した空気圧スロットルチェックバルブの数値シミュレーション

Scientific Reports volume 13、記事番号: 2475 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

この記事では、2 つの空気圧ドライブの革新的な制御システムで使用されるスロットル逆止弁の数値 CFD シミュレーションを紹介します。 このタイプの制御は、下肢用の革新的なリハビリテーション装置に使用されています。 境界条件を決定するために、実験テストが実行されました。 テストスタンド上のスロットルバルブのスケールを測定し、さまざまなバルブ開口部の高さでの空気流量値を読み取りました。 この記事の目的は、事前調整された逆止弁スロットルの CFD シミュレーションを提示することです。 数値シミュレーション (CFD) を使用すると、さまざまなサイズの流れギャップを持つ空気圧スロットル逆止弁内部の流れ現象を研究することができます。 得られた結果から、静圧やバルブ内を流れる媒体の速度、ベクトル速度分布などの物理量分布を求めることができました。 スロットル バルブ アセンブリは、ピストン アクチュエータのそれぞれに作用するさまざまな外部負荷とは無関係に、ピストン アクチュエータの動作が適切な程度に同期するように調整されています。 著者らは、さまざまなバルブ開口部の高さに対する空気の流れ現象を調査しました。 シミュレーションにより、特定のバルブ開口部の高さにおける超音速および亜音速の流速の発生に関する情報が得られました。

空気圧ドライブが使用されるシステムでは、ピストンロッドを同時に動かす必要があります。 外部負荷が異なると、駆動ピストンロッドの不均一な動きが観察されます。 異なる負荷の下で駆動ピストンロッドの同じ変位を得るのは困難1、2、主に圧縮空気は圧縮性であるという事実3、4、5、および駆動ピストンの自己摩擦によって引き起こされる移動抵抗がある6、7、という事実によります。 8、9、10。

空気圧システムは比例弁 11 とオン/オフ ソレノイド バルブ 12、13 を使用して、空気の流れを調整します 5、14。 オン/オフ ソレノイド バルブは、比例バルブよりも安価な空気圧コンポーネントであるため、産業界で一般的に使用されています15、16。

空気圧駆動装置の同時動作を実現するには、たとえば、モーションシンクロナイザー 17、18 スロットルまたはスロットルチェックバルブ 7、19 が使用されます。 スロットルチェックバルブは、多くの業界の流量制御要素として空気圧機器で広く使用されています。

作動媒体の流れを調整するために使用される最も一般的な空気圧要素は、スロットル バルブとスロットル逆止弁です。 ただし、このバルブの欠点は、ピストン ロッド ドライブの負荷力の変化に敏感であることです。 バルブギャップを通る作動媒体の流れは、負荷力20とともに増加します。

スロットルチェックバルブは、空気圧シリンダのピストンロッドの伸縮速度を調整するために使用されます。 スロットルと逆止弁の並列接続です。 このバルブでは、空気の流れは一方向にのみ絞られます。 空気はスロットル バルブ内の調整可能な縮小断面積を通って流れ、作動媒体の流れによってチェック バルブが閉じます。 反対方向に移動するときは、逆止弁が開いているため、空気は自由に流れます7。

油圧システムでは、モーションシンクロナイザーが使用されます。 油圧ドライブの同期動作は、通常、比例弁またはサーボ弁21によって実行されます。 高速オンオフ バルブ (HSV)22 にも対応できます。 HSV は、圧力制御 23 や位置制御 24 などに使用されます。 論文の著者25、26は、高速オンオフバルブを介した油圧駆動要素の制御を発表しました。 著者らは、協調同期制御アルゴリズムである PWM–PFM (パルス幅変調 – パルス周波数変調) を使用しました。 文献27、28では、著者らはドライブのピストンロッドの速度軌跡を追跡する制御を実装するコントローラーを設計しました。

この論文で調査された絞り弁はリハビリテーション装置の制御の重要な要素であり、脊椎を含む重傷を負った患者が将来使用することを考慮すると、リハビリテーション装置は完全に予測可能で信頼できるものでなければなりません。 したがって、その動作を完全に理解するために、作業のシミュレーションが実行されました。 デバイスの動作を完全に分析し、モーション シンクロナイザー システムの計画された設計を完了するには、CFD シミュレーション テスト、スロットル バルブ (異なるスケール) の知識が必要になりました。 このタイプの空気圧コンポーネントの設計知識はメーカーによって厳重に保護されており、利用することはできません。

特許が取得された電子制御29は、空気圧シリンダのピストンの伸長速度を制御するシステムです。 空気圧システムの概略図を図1に示します。

著者の特許取得済みリハビリテーション装置の操作に使用される空気圧制御システムの概略図 [FluidSIM-P 5.0、Festo: https://www.festo-didactic.com/int-en/services/printed-media/manuals/fluidsim-5] -user-guide.htm?fbid=aW50LmVuLjU1Ny4xNy4zMi44MjguNzc1OQ]。

図 1 に示す制御システムの重要な点は、2 つのグループのスロットルチェックバルブです。 両方のグループは 4 つの同一のスロットルチェックバルブで構成されています。 スロットルチェックバルブは適切に校正されており、さまざまなバルブ開口部の高さに設定されています。

アクチュエータのピストン ロッドの伸長中、マイクロコントローラーは電位差測定位置センサーを使用して 2 つのピストン ロッド間の変位の差を読み取ります。

マイクロコントローラーは、アクチュエーターのピストン ロッドの変位の差 (ゾーン) を読み取ります。 次に、段階的なスロットルチェックバルブに接続され、適切に作動する 2 点バルブを制御します。

電子制御 29 を使用して、リハビリテーション装置の 2 つのシリンダーの同時動作を調整できます。 脚の他動運動のためのリハビリテーション装置を図2に示します。

リハビリテーション装置。

特許取得済みのリハビリテーション装置 30 (図 2) は、例えば Covid-19 疾患後の長期間の固定状態の後に、患者の適切な可動性を回復するように設計されています。 新型コロナウイルス感染症の重症患者は、病院で長期間を過ごします31,32。 したがって、そのようなリハビリテーション装置に対する需要がある。 新型コロナウイルス感染症後の運動は非常に重要です。 運動は、筋肉の消耗、関節の硬直、静脈血栓症 33 やその他の副作用 34、35、36 を防ぐのに役立ちます。

スロットルチェックバルブの異なる開口高さを通過する空気流量の値を決定するために、バルブが校正されました。 バルブを流量計に接続し、適切なバルブ開口部の高さを選択することにより、空気流量が読み取られます。

研究の目的は、2 つの空気圧アクチュエータの空気圧システムが適切に動作することを保証するために、スロットル バルブの適切な開口高さにおける空気流量を測定することでした。 図 3 は、主要なコンポーネントの説明とともにスロットル逆止弁の断面図を示しています。

最も重要なコンポーネントを含むスロットル チェック バルブの断面図。 ここで: 1 - 入口チャネル、2 - 排水チャネル、3 - バルブ本体、4 - 制御ニードル、5 - 制御ニードルの下部、6 - 制御ニードルの上部、7 - 内部バルブ本体、8 - 外部部品制御ニードルの、9 - バルブ チャンバー、10 - チャネル チョーク、11 - ドレナージ チャンバー [Ansys Fluent 2021 R2 (ANSYS Academic Research Mechanical and CFD): https://download.ansys.com/Current%20Release?releaseno=2021 %20R2&operatingsystem=Windows%20x64]。

スロットルバルブ（図3）では、断面積を変える（空気の流れの抵抗を変える）ことで、その大きさを制御することができます。 これは、方向に関係なく空気流量を減らすことを意味します。 抵抗調整可能な絞りバルブの絞り量はニードル(4)によって変更されます。

以下の図 4 は、4 つのバルブ高さの断面を示しています (a) \({h}_{1}=3.95\times {10}^{-3}\) m、(b) \({h}_{2 }=2.69\times {10}^{-3}\) m, (c) \({h}_{3}=1.43\times {10}^{-3}\) m, (d) \( {h}_{4}=0\)。

\(d=\mathrm{0,175}\times {10}^{-3}\) m の 4 つの開口部バルブ高さの断面積: (a) \({h}_{1}=3.95\times {10} ^{-3}\) m、(b) \({h}_{2}=2.69\times {10}^{-3}\) m、(c) \({h}_{3}= 1.43\times {10}^{-3}\) m、(d) \({h}_{4}=0\)。 [Ansys Fluent 2021 R2 (ANSYS Academic Research Mechanical and CFD): https://download.ansys.com/Current%20Release?releaseno=2021%20R2&operatingsystem=Windows%20x64]。

スロットルバルブの開度高さはニードルによって変更されました（図4）。 バルブ開口部の高さは次の値に設定されています: (a) \({h}_{1}=3.95\times {10}^{-3}\) m、(b) \({h}_{ 2}=2.69\times {10}^{-3}\) m、(c) \({h}_{3}=1.43\times {10}^{-3}\) m、(d) \ ({h}_{4}=0\)。

図 5a は、スロットルチェックバルブのさまざまな開口高さを通過する空気流量の値をテストするためのテストスタンドを示しています。 図 5b はテスト装置を示しています。

(a) スロットルチェックバルブを備えたテストスタンドの図: 1 - 電源 - 圧縮空気、2 - 空気準備ユニット、3 - 減圧バルブ、4 - 圧力計、5 - テストエレメント (スロットルチェックバルブ) 、6 - 流量センサー。 (b) テスト装置。 [図 (a) はプログラムで作成されました: FluidSIM-P 5.0、Festo: https://www.festo-didactic.com/int-en/services/printed-media/manuals/fluidsim-5-user-guide .htm?fbid=aW50LmVuLjU1Ny4xNy4zMi44MjguNzc1OQ]。

流量センサー 6 は、スロットルチェックバルブにつながる空気圧ライン (上の図 5a) に取り付けられました。 センサーは空気流量の値を読み取るために使用されます。 測定スタンドには、空気調製ユニット２によって供給される圧縮空気１が供給され、その圧力は減圧弁３によって調整された。圧力計４はシステム圧力値の指示器として機能する。

図６に空気流量とスロットル弁の開度の関係を示す図を示す。 供給圧力値 \(3.5\times {10}^{5}\) Pa を読み取りました。

スロットル開度値とバルブ開度の高さの関係。 ここで: 1\(-{h}_{1}=3.95\times {10}^{-3}\)m、2\(-{h}_{2}=2.69\times {10}^{- 3}\)m、3\(-{h}_{3}=1.43\times {10}^{-3}\)m、4 \(-\) \({h}_{4}=0 \)。

供給圧力 (図 6) \(3.5\times {10}^{5}\) Pa およびスロットルバルブの最初の開き高さ (\(3.95\times {10}^{-3}\)) の場合m)、空気流量の値は \(1.36\times {10}^{-5}{\mathrm{m}}^{3}/\mathrm{s}\) ですが、2 番目のスロットル バルブでは開口部高さ (\(2.69\times {10}^{-3}\) m) 空気流量の値は \(1.59\times {10}^{-4} {\mathrm{m}}^{ 3}/\mathrm{s}\)。 3 番目のスロットル バルブ開度 (\(1.43\times {10}^{-3}\) m) の場合、空気流量の値は \(3.77\times {10}^{-4}{\mathrm{ m}}^{3}/\mathrm{s}\)、4 番目のスロットル バルブ開度 (\(0\) m) の空気流量の値は \(6.67\times {10}^{ -4} {\mathrm{m}}^{3}/\mathrm{s}\)。

流体の流れを伴うあらゆる物理プロセスは、数学的モデルによって説明できます。 この目的のために、次のようなナビエ ストークス方程式が使用されます。 (1)、エネルギー方程式。 (2) と運動量保存式 (2) (3)。 数値シミュレーションを実行する場合、重要な要素は、実際の現象にできるだけ近い適切なモデルを選択することです37。

分析された空気圧バルブを流れる空気 (理想気体) は、連続媒体として扱われます。 さらに、ニュートン流体の特徴も備えています。

質量保存方程式:

エネルギー方程式:

運動量保存方程式:

理想気体の法則方程式:

ここで: e - 比エネルギー、p - 静圧、R - 普遍気体定数、t - 時間、T - 温度、\({u}_{i,j}\) - \({x の平均流速成分) }_{i,j}\) 方向、\({x}_{i,j}\) - 座標成分、\({\delta }_{ij}\) - 2 次クロネッカー テンソル、\(\rho \) - 密度、\({\tau }_{ij}\) - 応力テンソル。

乱流の現象は流体力学における重要な問題であり、使用されるモデルの精度は、複雑な乱流のシミュレーションの正確さに反映されます。 科学者によって開発された乱流モデルは、さまざまな流れ条件下での性能をテストするために、実験データに対して検証されています 37,38。 k-ω SST モデルは、標準の k-ω モデルに似ています。

乱流の運動エネルギー k の輸送方程式は次のとおりです。

乱流の運動エネルギーの比散逸に関する輸送方程式 \(\omega\):

式(6)に現れる渦度の絶対値は次のように定義されます。

混合関数 F1:

補助機能 F2:

k-ω モデルの相互拡散:

乱流粘度は、乱流の運動エネルギーと単位散逸率の関数として次の関係によって定義されます。

ここで: \({a}_{1}\) - 定数、k - 乱流の運動エネルギー、\({S}_{ij}\) - 平均たわみ率テンソル、\(y\) - 最も近い非粒子からの距離-すべり面、\(\gamma\)—ポアソン断熱比、\({\mu }_{t}\)—乱流粘性、\({\sigma }_{k}\)、\({\sigma } _{\omega }\) - k および \(\omega\) の乱流プラントル数、\(\omega\) - 比乱流散逸率、\(\Omega\) - 平均渦度値。

スロットル逆止弁における流れ解析の目的は、スロットル逆止弁のさまざまな開口高さを通る流体流量の値を決定することでした。 作動媒体 (流体) の流れのシミュレーションは、4 つの異なるスロットル バルブ スロット高さに対して実行されました。

実行されるシミュレーションにより、スロットル バルブのさまざまな高さを通過する空気の流れ中に発生する現象に関する情報を取得できます。

Ansys (Fluent) は、流体の流れシミュレーション用の一般的なソフトウェアです 39,40。 数値流体力学により、複雑な流れの問題のモデル化と解析が可能になり、解析された現象をより深く理解し、空気圧バルブを含む既存の設計ソリューションを最適化することができます。

論文の著者41は、Fluent ソフトウェアを使用して、スライドバルブ型 HPSV の内部流れを研究しました。 記事42では、エネルギー効率の高い高圧電空サーボバルブが紹介されています。 CFDで実行されました。 流れ場解析。 この論文の著者らは、数値流体力学 (CFD) シミュレーションを使用して、制御バルブの流れを研究し、空気バルブの特性を研究しています 45、46。

空気圧バルブを通る媒体の流れの数値シミュレーションは、コンセプトを評価して動作を最適化するため、また個々の設計ソリューションで発生する物理現象を理解するために広く使用されています。 これらにより、温度や圧力などの関連する物理量の局所的な値に関する情報を取得できるだけでなく、考慮した体積 (流体領域) 内の熱力学パラメーターの分布を決定することもできます。 一部のバルブはサイズや構造が小さいため、利用可能な測定方法の使用が面倒な場合や、高度な測定技術の使用が必要な場合があります。 したがって、この場合には数値流体力学法の使用が正当化されます。

CFD (数値流体力学) 手法を使用した数値計算は、現在動的に発展している計算手法です。 これらのテストは初期設計や最適化の段階で非常に役立ち、実験研究の量とコストの削減に貢献します。

数値流体力学手法を使用することで、さまざまなサイズの流れギャップにおける空気圧スロットル逆止弁内部の流れ現象を研究することができました。

コンピュータ シミュレーションの目的で、実際の幾何学的寸法に基づいて、スロットル バルブの簡略化された 3 次元幾何学形状が Ansys SpaceClaim 環境で作成されました。 分離された計算領域は、Fluent Meshing のポリヘックスコア要素を使用して離散化されました (図 7)。 Mosaic テクノロジーで使用される多壁要素の使用により、さまざまなタイプのメッシュ間の高品質な移行が保証されます。

計算グリッド - ケース番号 1 の多面体要素。[Ansys Fluent 2021 R2 (ANSYS Academic Research Mechanical および CFD): https://download.ansys.com/Current%20Release?releaseno=2021%20R2&operatingsystem=Windows%20x64] 。

実行された比較分析では、Mosaic テクノロジーの使用により計算メッシュのサイズを縮小でき、メッシュ品質の向上と相まって計算時間の短縮に貢献し、より優れた解の精度が可能になることが示されました 47。 大きな勾配が発生する領域では、基本パラメータが流れる液体の速度勾配である勾配メッシュ適応手法を使用して、有限体積メッシュが局所的に圧縮されました。

分析されたケースのメッシュ サイズに関する詳細情報を表 1 に示します。

次のステップは、境界条件を定義し、バルブを流れる流体のパラメータを決定することでした。 次に、数値解析を行うための条件を決定しました。

バルブを通る培地の流れの分析は、Ansys Fluent ソフトウェアを使用して実行されました。 解析の目的は、流れの特性を判断することです。 テストは、さまざまな質量流量値およびさまざまなスロットル バルブ開口部の高さに対して実行されました。

メッシュグリッドの独立性テストは、適切なサイズを見つけるために実行されました48。 ギャップ高さが \(3.95\times {10}^{-3}\) m の場合のケース番号 1 の結果を表 2 に示します。 検討した他のケースについても同様の方法で分析を実行しました。 バルブを流れる媒体の速度への影響を決定するために、3 つのメッシュ サイズがテストされました。

得られた結果に基づいて、解決策はメッシュ サイズに依存しないと結論付けられました。 したがって、分析された最初のケ​​ースの数値シミュレーションでは、グリッド サイズは 3,105,134 になります。

解析されたスロットル バルブ内で発生する流れ現象のスペクトルを正確に記述することを可能にする境界条件を定義することは、シミュレーション研究の重要な段階です。 分析された現象は定常状態であると仮定されました。 圧力ベースのソルバー タイプが選択されました。 境界条件は実験テストに基づいて決定されました。 供給圧力の値は３５０ｋＰａとした。 動作圧力は 101.325 Pa に設定しました。

個々のバルブ開口部の高さに対する質量流量の値を表 3 に示します。

シミュレーションでは 3 次元の計算領域が使用されました。 作動媒体である空気は、理想気体モデルを使用して記述されます。 壁の温度は 300 K の一定値、流体の粘度は一定であると仮定しました。 実施された数値解析では、熱伝達に関連する現象は考慮されていません。 質量流量入口境界条件が入口に割り当てられ、圧力出口条件が出口に割り当てられました。 Menter37 によって開発された k − ω SST せん断応力伝達モデルが使用されました。 このモデルは、Launder-Sharm によって提案された k − ε 2 方程式モデルや Wilcox によって提案された k − ω 2 方程式モデルなどの一般的に使用されるモデルの利点を組み合わせており、内部流体の流れに関連する現象のモデル化に使用できます49,50。 。 バルブのすべての壁に滑りがない状態が想定されました。

使用される k − ω SST モデルは、現在、数値解析で使用される一般的な乱流モデルです。 これは、k-ω 標準モデルと k − ε モデルに基づいています。 k − ω モデルは粘性副層内の流れをシミュレートするのに適していますが、k − ε モデルは壁から離れた領域の流れの挙動をより適切に表現します。 これらの機能により、より広範囲の流れに対する精度が向上します。 したがって、絞り戻しバルブを通る内部流れをモデル化するために、壁近傍層の内側と壁近傍層の外側の両方の現象をより正確にモデル化できる k − ω SST モデルを選択することが決定されました。流体の自由流動領域の壁層51、52。

得られた結果により、静圧、バルブを流れる媒体の速度、ベクトル速度分布などの関連する物理量の分布を決定することができます。 結果は、バルブの長手方向の軸と一致する XY 平面上に表示されます。

数値シミュレーション (CFD) を使用すると、さまざまなサイズの流れギャップを持つ空気圧スロットル逆止弁内部の流れ現象を研究することができます。 次のバルブ開口部の高さがモデル化されました: (a) \({h}_{1}=3.95\times {10}^{-3}\) m、(b) \({h}_{2}=2.69 \times {10}^{-3}\) m、(c) \({h}_{3}=1.43\times {10}^{-3}\) m、(d) \({h} _{4}=0\)。 図 8 は、さまざまなバルブ開口部の高さの速度分布を示しています。

バルブ開口部の高さのさまざまな構成における速度分布。 (a) \({h}_{1}=3.95\times {10}^{-3}\) m、(b) \({h}_{2}=2.69\times {10}^{- 3}\) m、(c) \({h}_{3}=1.43\times {10}^{-3}\) m、(d) \({h}_{4}=0\) [Ansys Fluent 2021 R2 (ANSYS Academic Research Mechanical and CFD): https://download.ansys.com/Current%20Release?releaseno=2021%20R2&operatingsystem=Windows%20x64]。

断面積が減少すると、流れる流体の速度が増加します。 速度分布の分析 (図 8) に基づいて、最高の速度がニードルと内部バルブ本体の間のチョーク チャネルで得られることがわかります。

図 9 は、考慮した 4 つのケースすべてについて、断面積が最小の領域 (スロットル チャネル内) で得られた最大空気流速度を示しています。 分析された問題では、バルブの特定の動作条件でギャップ内の速度が直線的に増加することがわかります。

バルブ開口部の高さのさまざまな構成における最大速度: ここで: 1\(-{h}_{1}=3.95\times {10}^{-3}\)m、2\(-{h}_{ 2}=2.69\times {10}^{-3}\)m、3\(-{h}_{3}=1.43\times {10}^{-3}\)m、4 \(-\ ) \({h}_{4}=0\) m。

スロットルバルブの最初の開き高さ（図9）では、ギャップ内の最大速度は66.0 m/sです。 第２スロットル弁開度高さにおける最大空気流速の値は１９７．５５ｍ／ｓである。 3 番目のスロットル バルブ開度の高さの場合、最高速度の値は 337.57 m/s です。 4 番目のスロットル バルブ開度の高さでは、最大流速は 459.13 m/s になります。

図10に弁開度の違いによるスロットルバルブ内に発生する静圧の変化を示します。

さまざまなバルブ開口高さの構成における静圧。 (a) \({h}_{1}=3.95\times {10}^{-3}\) m、(b) \({h}_{2}=2.69\times {10}^{- 3}\) m、(c) \({h}_{3}=1.43\times {10}^{-3}\) m、(d) \({h}_{4}=0\) [Ansys Fluent 2021 R2 (ANSYS Academic Research Mechanical and CFD): https://download.ansys.com/Current%20Release?releaseno=2021%20R2&operatingsystem=Windows%20x64]。

静圧により、試験対象物の圧力損失を解析できます。 バルブ形状の 4 つのケースを分析すると、静圧の最大値はバルブの入口チャネルで発生することがわかります。 静圧の急激な低下は、ニードルと内部バルブ本体の間のチョーク チャネルで顕著です。 静圧の減少にはギャップを流れる空気の速度の増加が伴います (図 10)。これはベルヌーイの式と一致します。

表 4 は、分析したバルブの入口と出口の静圧の平均値、および出口とバルブの入口の間の流れで発生する静圧損失をまとめたものです。

得られた結果 (表 4) を分析すると、質量流量の増加に関連する絞りチャネルのサイズの変化に伴い、圧力損失値が増加することがわかります。

図 11 は、分析された 4 つのバルブ開度範囲のベクトル速度分布を示しています。 生成された渦は図中で丸印で示されています。

高さのスロットの速度ベクトル (a) \({h}_{1}=3.95\times {10}^{-3}\) m、(b) \({h}_{2}=2.69 \times {10}^{-3}\) m、(c) \({h}_{3}=1.43\times {10}^{-3}\) m、(d) \({h} _{4}=0\)。 [Ansys Fluent 2021 R2 (ANSYS Academic Research Mechanical and CFD): https://download.ansys.com/Current%20Release?releaseno=2021%20R2&operatingsystem=Windows%20x64]。

速度ベクトル (図 11a) により、流れの乱れによって引き起こされる圧力降下を特徴とする領域を示すことができます。 得られた結果を分析すると、バルブを流れる作動媒体に局所的な乱流が存在する領域が流れ場にあることがわかります。 境界層が剥がれた部分も観察できます。 流れの乱れの発生は圧力損失の増加に寄与します。 外乱の形成はバルブの内部形状の影響を受け、その結果、空気流の速度と方向が変化します (例: 鋭いエッジ)。

バルブを開いた 2 番目のケース (図 11b) では、非対称な流れの乱れが認められました。 バルブ チャンバーの下部とバルブ チャンバーの上部および流入チャンバーの両方で形成された渦を観察できます。

前のケースと同様に図 11c を分析しているときに、流出チャンバー内の渦に気づきました。 さらに、それらはバルブチャンバーの上部とバルブチャンバーの底部にも存在します。

検査中の 4 番目のケースでも、目に見える流れの乱れ (図 11d) が認められました。 渦は排水路でのみ観察されました。

考慮したすべてのケース (図 11a ～ d) を分析すると、最小の流れの乱れが 4 番目のケースで発生していることがわかります。 一方、最も大きな外乱が発生するのは第 2 弁開度高さです。 バルブの流れの結果を分析すると、4 つのケースすべてで高速フィールドがニードルの外側とスロットル チャネルの間に位置していることがわかります。

図 12 は、考慮した 4 つのケースの y + パラメーターを示しています。

次の場合は Y +: (a) 次の場合: (a) \({h}_{1}=3.95\times {10}^{-3}\) m、(b) \({h}_ {2}=2.69\times {10}^{-3}\) m、(c) \({h}_{3}=1.43\times {10}^{-3}\) m、(d) \({h}_{4}=0\)。 [Ansys Fluent 2021 R2 (ANSYS Academic Research Mechanical and CFD): https://download.ansys.com/Current%20Release?releaseno=2021%20R2&operatingsystem=Windows%20x64]。

スロットル バルブの最も重要な領域 (制御ニードルの外面上) で読み取られた y + パラメータ (壁関数 y +) は、値 5 を超えませんでした。残りの領域では、y + パラメータは150未満。

得られた流れ解析結果は、リハビリテーション施設の 2 台の空気圧アクチュエータの動作制御システムにあるバルブ グループの動作にとって基本的に重要です。

図9は、最小セクションで得られた、バルブを通過する空気流の最大速度値を示しています。 数値解析の結果に基づいて、空気流はバルブが \({h}_{3}=1.43\times {10}^{-3} の高さまで開くと遷音速に達すると結論付けることができます) \) m とバルブを高さ \({h}_{4}=0\) m まで開いたときの超音速値。 これにより、この領域の空気の流れが妨げられます。 絞られた流れでは、空気流の速度はくびれ部 (流路面積が最も小さい領域) では増加しませんが、バルブの入口と出口の間の圧力降下は大きくなります。 分析された他のケースでは、バルブを \({h}_{1}=3.95\times {10}^{-3}\) m の高さまで開くときと \({h}_{2}=2.69\ {10}^{-3}\) 倍、バルブを流れる空気は亜音速に達しました。 超音速での空気の流れを避けるために、4 番目のケースのバルブ開口部の高さを変更することをお勧めします。

流れ解析は、媒体空気 (圧縮性媒体) の流れとバルブの形状の間の相互作用の理解に影響を与えます。

流れ解析は、バルブの流れ力学の基礎となるメカニズムを説明するだけでなく、さまざまなバルブ開口部における流れの強さの変化に関する重要な指針も提供します。

数値テストにより、リハビリテーション装置の 2 つのドライブの動きの制御システムにおける絞り弁のグループの適切なスケーリングが可能になり、これはさらなる研究の対象となります。

重要な問題は、リハビリテーション装置の空気圧駆動装置の制御システムにおけるスロットル バルブの使用です。 この記事で紹介されている 2 つのアクチュエータの同時動作の制御システムは、下肢の受動的運動のためのリハビリテーション装置に使用されています。 このような装置は、主に膝関節と股関節のリハビリテーションを目的として、運動機能障害のある患者を対象としています。 受動的運動と能動的運動における両下肢の同時運動は、特に、関節の全可動域を開発および維持し、筋収縮の形成を防ぎ、褥瘡を予防することを目的としています。 この装置は、Covid-19 ウイルスによって重篤な症状が進行した患者のリハビリテーションにも非常に役立ちます。

リハビリテーション装置は、アクチュエーターによって手足の自然な動きをシミュレートします。 この装置で使用されている制御システムにより、空気圧アクチュエータの 2 つのピストン ロッドの同時動作が可能になり、革新的な制御により 2 つのアクチュエータの同時動作が調整されます。

したがって、制御システム用に適切に校正されたスロットルバルブを備えたリハビリテーション装置を選択することが重要です。

Ansys Fluent ソフトウェアで実行されたシミュレーションにより、さまざまなサイズのスロットルチェックバルブギャップでの流れ現象を研究することができました。 流れる流体の速度場と圧力場、およびベクトル速度分布が決定されました。 得られた結果により、流れギャップのさまざまな高さでの物理量のより好ましい分布を得るために、絞り逆止弁の形状を変更することが可能になります。 静圧の最大の低下はスロットル バルブ スロットの後ろの領域で観察され、したがってスロットル チャネルを流れる空気の速度の増加につながります。 この状況は、分析されたすべてのケースに当てはまります。 スロットルチャンネルのサイズが大きくなると、質量流量と圧力損失値の両方が増加します。

実行された数値テストは、流れの圧力損失を低減することを目的とした Fluent Adjoint Solver 法を使用して、空気圧バルブの最適な形状を決定することを目的としたさらなる研究の基礎となります。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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ジェシェフ工科大学機械工学航空学部航空宇宙工学科、av. Powstańców Warszawy 8, 35-959, ジェシュフ, ポーランド

マルタ・ジシュカ & ナタリア・マルシャレク

ジェシェフ大学自然科学部材料工学研究所、Pigonia 1、35-310、ジェシェフ、ポーランド

ヴォイチェフ・ジウカ

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概念化: M.Ż.、ニューメキシコ州; 方法論: NM、M.Ż. ソフトウェア: NM、M.Ż.、W.Ż.; 実験: M.Ż.、ニューメキシコ州; 検証: NM、M.Ż; 調査: NM、M.Ż.、W.Ż; リソース: M.Ż.、ニューメキシコ州; 執筆: M.Ż.、NM、W.Ż.; 監修：M.Ż.、NM、W.Ż.

Marta Żyłka または Natalia Marszałek への通信。

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転載と許可

Żyłka, M.、Marszałek, N.、Żyłka, W. 数値流体力学 (CFD) を使用した空気圧スロットル逆止弁の数値シミュレーション。 Sci Rep. 13、2475 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-29457-4

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受信日: 2022 年 8 月 1 日

受理日: 2023 年 2 月 6 日

公開日: 2023 年 2 月 11 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29457-4

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