Simulation numérique d'un clapet anti-retour pneumatique à l'aide de la dynamique des fluides numérique (CFD)

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 2475 (2023) Citer cet article

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L'article présente une simulation numérique CFD d'un papillon des gaz utilisé dans un système de contrôle innovant pour deux entraînements pneumatiques. Ce type de contrôle est utilisé dans un appareil innovant de rééducation des membres inférieurs. Afin de déterminer les conditions aux limites, des tests expérimentaux ont été réalisés. Les papillons des gaz sur le banc d'essai ont été mis à l'échelle et les valeurs de débit d'air ont été lues pour différentes hauteurs d'ouverture des vannes. Le but de cet article est de présenter une simulation CFD d’un papillon de clapet anti-retour pré-ajusté. La simulation numérique (CFD) permet d'étudier les phénomènes d'écoulement à l'intérieur d'un papillon pneumatique, avec différentes tailles d'entrefers. Les résultats obtenus ont permis de déterminer la répartition des grandeurs physiques de pression statique, la vitesse du fluide circulant dans la vanne ou la distribution vectorielle de la vitesse. L'ensemble papillon des gaz a été dimensionné pour un degré approprié de synchronisation du mouvement des actionneurs à piston indépendamment des différentes charges externes agissant sur chacun d'eux. Les auteurs ont étudié les phénomènes de flux d'air pour différentes hauteurs d'ouverture de valve. La simulation a fourni des informations sur l’apparition de vitesses d’écoulement supersoniques et subsoniques à des hauteurs d’ouverture de vanne spécifiques.

Dans les systèmes utilisant des entraînements pneumatiques, un mouvement simultané des tiges de piston est nécessaire. En cas de charge externe différente, un mouvement irrégulier des tiges de piston d'entraînement est observé. Il est difficile d'obtenir le même déplacement des tiges de piston d'entraînement sous différentes charges1,2, principalement en raison du fait que l'air comprimé est compressible3,4,5, et il existe également une résistance au mouvement causée par l'autofriction des pistons d'entraînement6,7, 8,9,10.

Les systèmes pneumatiques utilisent des vannes proportionnelles11 et des électrovannes marche/arrêt12,13, permettant de réguler le débit d'air5,14. Les électrovannes tout ou rien sont couramment utilisées dans l'industrie car ce sont des composants pneumatiques moins coûteux que les vannes proportionnelles15,16.

Pour obtenir le mouvement simultané des entraînements pneumatiques, par exemple, des synchroniseurs de mouvement17,18, des papillons ou des clapets anti-retour7,19 sont utilisés. Les clapets anti-retour à papillon sont largement utilisés en pneumatique comme éléments de contrôle de débit dans de nombreuses industries.

Les éléments pneumatiques les plus couramment utilisés pour réguler le débit du fluide de travail sont les papillons et les clapets anti-retour. Cependant, l'inconvénient de cette vanne réside dans sa sensibilité aux modifications de la force de charge de l'entraînement de la tige de piston. Le débit du fluide de travail à travers l'espace des soupapes augmente avec la force de charge20.

Le clapet anti-retour des gaz est utilisé pour réguler la vitesse d'extension ou de rétraction des tiges de piston des vérins pneumatiques. Il s'agit d'une connexion parallèle d'un papillon et d'un clapet anti-retour. Dans cette vanne, le débit d'air est étranglé dans une seule direction. L'air circule à travers une section transversale réduite réglable dans le papillon des gaz et le flux du fluide de travail ferme le clapet anti-retour. En sens inverse, l'air circule librement avec le clapet anti-retour ouvert7.

Dans les systèmes hydrauliques, des synchroniseurs de mouvement sont utilisés. Le mouvement de synchronisation des entraînements hydrauliques est généralement effectué par une vanne proportionnelle ou une servovalve21. Vous pouvez également rencontrer des vannes tout ou rien à grande vitesse (HSV)22. HSV est utilisé, par exemple, pour le contrôle de la pression23, ainsi que pour le contrôle de la position24. Les auteurs de l'article25,26 ont présenté le contrôle des éléments d'entraînement hydrauliques via une vanne tout ou rien à grande vitesse. Les auteurs ont utilisé un algorithme coopératif de contrôle de synchronisation, PWM – PFM (modulation de largeur d'impulsion – modulation de fréquence d'impulsion). Dans la littérature27,28, les auteurs ont conçu un contrôleur pour mettre en œuvre un contrôle avec suivi de la trajectoire de vitesse des tiges de piston des entraînements.