Anales AFA - XVI Meeting on Recent Advances of Physics of Fluids and its Applications 21-25
ANÁLISIS CFD DE CONTROL DE FLUJO MEDIANTE UNA VÁLVULA ESFÉRICA
CFD ANALYSIS ON FLOW CONTROL USING A BALL VALVE
F. Hazzi*1, C. S. Cardona1, C. I. Pairetti1,2 y C. M. Venier1,2
1Escuela de Ingeniería Mecánica (EIM) FCEIA - Universidad Nacional de Rosario, Argentina.
2Centro de Investigación en Métodos Computacionales, CIMEC (CONICET - UNL), Santa Fe, Argentina.
Recibido: 30/10/21; Aceptado: 09/03/22
El control del flujo en sistemas de cañerías está presente en muchas aplicaciones de ingeniería y se efectúa mediante
distintos componentes. En particular, la válvula esférica consta de un obturador con un orificio cilíndrico que regula el
flujo mediante la rotación del mismo, modificando la sección de paso efectiva. En el presente trabajo se estudia este
tipo de dispositivos mediante Fluido-dinámica Computacional (CFD). Las simulaciones se llevan a cabo utilizando la
plataforma de cálculo SimScale, basada en el software libre OpenFOAM. El principal objetivo de este análisis es ajustar
y validar la herramienta numérica para predecir la relación entre el porcentaje de apertura y la pérdida de carga para
válvulas con geometrías complejas, observando las estructuras de flujo desarrolladas en las cercanías del obturador.
Los modelos utilizados se validan en problemas axisimétricos de conductos con sección constante y con una estricción
localizada, comparando con la solución analítica y con simulaciones de referencia, respectivamente. Luego se estudia
el caso de una válvula esférica real en régimen turbulento a diferentes aperturas contrastando los resultados con datos
experimentales y con simulaciones numéricas realizadas por otros autores. Se observa un buen acuerdo del coeficiente
de pérdida de carga para cada uno de los ángulos de apertura estudiados, corroborando a su vez la independencia del
mismo frente al número de Reynolds.
Palabras Clave: Válvula esférica, Flujo turbulento, OpenFOAM, Coeficiente de pérdida de carga.
Flow control in piping systems is present in many engineering applications and is carried out by different components.
In particular, ball valves consist of a plug with a cylindrical orifice that regulates the flow through rotation, modifying
the effective passage section. In the present work, this type of device is studied using Computational Fluid Dynamics
(CFD). The simulations are carried out using the SimScale calculation platform, based on the free OpenFOAM software.
The main objective of this analysis is to set and validate a numerical tool to predict the relationship between the opening
percentage and the pressure loss for normalized valves, analyzing the flow structures developed in the vicinity of the
plug. The models used are validated in axisymmetric problems of conduits with constant section and with a localized
stricture, comparing with the analytical solution and with numerical simulations, respectively. Then the case of a real
ball valve in a turbulent regime at different openings is studied, comparing the results with experimental data and with
numerical simulations carried out by other authors. A good agreement of the pressure loss coefficient is observed for
each of the opening angles studied, verifying its independence on the Reynolds number.
Keywords: Ball Valve, Turbulent flow, OpenFOAM, Loss coefficient.
https://doi.org/10.31527/analesafa.2022.fluidos.21 ISSN 1850-1168 (online)
I. INTRODUCCIÓN
Las válvulas esféricas son dispositivos para el control de
flujo que operan de forma activa, regulando la sección de
paso de fluido mediante la rotación de un obturador. De-
bido a su bajo costo y poca necesidad de mantenimiento
son ampliamente utilizadas en diversos procesos industria-
les donde se requiera estrangulamiento o bloqueo completo
del flujo. El desempeño y confiabilidad de las mismas se
encuentran fuertemente ligadas a un correcto proceso de di-
seño y fabricación, es por ello que es necesario un entendi-
miento detallado de los patrones de flujo que se establecen
dentro de la válvula.
Para el estudio del flujo dentro de las válvulas, en muchas
ocasiones se recurren a técnicas experimentales [1]. Sin em-
bargo, en las últimas décadas, con los avances tecnológi-
cos en almacenamiento y procesamiento en computadoras
personales, las técnicas de Fluidodinámica Computacional
* fiorellahazzi@gmail.com
(CFD) pasaron a ser una herramienta de gran utilidad para
el análisis de tales procesos. Muchos autores en la literatura
recurren a técnicas de CFD debido a que permiten observar
estructuras de flujo complejas con un gran nivel de detalle
sin requerir del uso de elementos físicos intrusivos para la
toma de datos [2,3].
En este trabajo, analizamos el flujo en la válvula esférica
ensayada por Chern et al. [1], computando el campo me-
dio de velocidades en régimen aplicando un modelo RANS
del tipo k−ε, considerando de flujo incompresible y New-
toniano utilizando la plataforma de código abierto Open-
FOAM [4], a través de la interfaz web SimScale. En primera
instancia se realiza un estudio de convergencia en malla en
un problema de bloqueo simétrico para seleccionar un refi-
namiento espacial adecuado. Luego se simula la válvula es-
férica operando en regímenes con alto número de Reynolds
(Re >105), en condiciones de flujo turbulento totalmente
desarrollado, calculando la pérdida de carga para diferen-
©2022 Anales AFA 21
FIG. 1: Esquema de la geometría adoptada para la válvula esférica en posición φ=30º.
tes ángulos de apertura y se contrastan los coeficientes de
pérdida de carga para regímenes turbulentos contra los re-
sultados experimentales de la literatura.
II. MÉTODOS
Modelo matemático
Esta sección presenta el abordaje general para la reso-
lución de las ecuaciones de Navier-Stokes incompresibles
por medio de métodos segregados de acoplamiento presión-
velocidad de la familia SIMPLE [5]. Esto se realiza en el
marco del Método de Volúmenes Finitos (FVM) en mallas
colocadas. El algoritmo general se encuentra implementado
en la plataforma libre y de código abierto OpenFOAM [4].
Las ecuaciones de Navier-Stokes pueden escribirse co-
mo:
∇·u=0,(1)
∇·(ρuu) = −∇p+∇·(2µ˙
γ
γ
γ) + ∇·τ
τ
τ.(2)
Aquí, uyprepresentan la velocidad y la presión respecti-
vamente, µes la viscosidad dinámica, ρes la densidad de
la sustancia, ˙
γ
γ
γes el tensor tasa de deformación y τ
τ
τes el
tensor de esfuerzos de Reynolds. Para el computo de dicho
tensor se adoptará el modelo de turbulencia k−ε. Por me-
dio de este tipo de modelado, dado el flujo inherentemente
transitorio observado en las condiciones del presente pro-
blema, solo se resuelven las ecuaciones para el flujo medio
modelando las escalas de la turbulencia.
Caso analizado
Se estudia una válvula esférica instalada en una tubería,
cuyo diámetro nominal es 50.8 mm, que aguas arriba de la
válvula se extiende por 457.2 mm (9 veces el diámetro) y
aguas abajo de la misma la distancia corresponde a 304.8
mm (6 veces el diámetro) como se detalla en la Fig. 1. El
diámetro de la cañería en donde se ubica la válvula es de
38 mm y el radio de la válvula esférica es de 33.3 mm. La
transición del diámetro de 50.8 mm al de 38 mm se lleva
a cabo a través de una contracción gradual y para el caso
contrario existe una expansión gradual. Ambos tramos pre-
sentan una longitud de 72 mm y forman un semiángulo de
10.16° con el eje de la tubería.
El dispositivo mencionado se analiza en diferentes posi-
ciones dadas por seis rotaciones del obturador: a 0º, 10º,
20º, 30º, 40º y 50º que corresponden a una apertura de
100%, 88.9% 77.8%, 66.7%, 55.6% y 44.4% respectiva-
mente. Para cada posición de la válvula se genera una geo-
metría mediante Diseño Asistido por Computadora (CAD)
y se exportan en formato nativo del programa CAD al en-
torno de SimScale. Es de preferencia que se exporten de
esta forma porque así SimScale reconoce menos cantidad
de caras que si se exporta en formato genérico STEP. Al
tener menor cantidad de caras en la geometría a mallar,
SnappyHexMesh otorga una malla de mejor calidad don-
de los valores de volume ratio, non Orthogonality y skew-
ness se encuentran en los recomendados por OpenFoam. A
su vez, en cada posición se estudian las distribuciones de
presión y velocidad para diferentes valores de velocidad de
entrada que están dadas por los siguientes números de Rey-
nolds: 1 ×105, 3 ×105, 5 ×105, 7 ×105y 1 ×106. Para el
análisis de la válvula esférica se trabaja en un régimen de
flujo turbulento totalmente rugoso, donde los efectos visco-
sos que se presentan en el flujo, se deben principalmente a
la rugosidad de la superficie y el aporte de la capa viscosa
es despreciable. En estas condiciones, se ha verificado ex-
perimentalmente que la pérdida de carga es independiente
del número de Reynolds.
Para este problema se emplearon esquemas de primer or-
den en el tiempo y upwind para la discretización del tér-
mino advectivo. Como criterio de convergencia, se fijó un
umbral de residuos para la presión de 1 ×10−5y un máxi-
mo de 5000 iteraciones. En términos de costo computacio-
nal, una simulación típica requiere 5.35 horas-CPU. Estos
fueron realizados en paralelo con 16 núcleos mediante el
servicio de cálculo en la nube de Simscale.
FIG. 2: Comparación entre perfiles de velocidad para el caso de
una tubería con estricción axisimétrica.
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FIG. 3: Mallado de la válvula en posición φ=0.
III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Validación del modelo utilizado
Previo al estudio de la válvula esférica, se analizó un flu-
jo Hagen-Poiseuille a través de una cañería de diámetro 10
cm. Como principal resultado se observó que, para un flujo
laminar, se alcanza un buen acuerdo entre la solución ana-
lítica y la numérica cuando se emplea una resolución de 40
celdas en el diámetro. Posteriormente se estudió un flujo
turbulento a través de una cañería que presenta una estric-
ción axisimétrica con porcentajes de bloqueo que van de 0
a 95%. Los resultados que se obtuvieron fueron compara-
dos con los reportados por Tantoro et al. [6], observando un
buen acuerdo como se ilustra en la Fig. 2.
A raíz de estas simulaciones puede decirse que las con-
diciones de borde impuestas, las iteraciones realizadas y el
modelo de turbulencia k−εson adecuados para utilizarlos
en el estudio de la válvula esférica. Antes de analizar es-
te dispositivo en profundidad se llevó a cabo un análisis de
convergencia en malla, del cual se observó que una resolu-
ción de 30 celdas en el diámetro mayor y 1000 celdas en el
largo de la cañería es suficiente para lograr que la solución
sea independiente de la malla. Con esta disposición y canti-
dad de celdas se obtiene una malla uniforme compuesta por
celdas cúbicas, sobre la cual se agregan refinamientos lo-
calizados en las regiones de las geometrías más complejas.
La malla utilizada y la ubicación de los puntos en los que
toman las presiones, que serán empleadas para obtener los
resultados, se pueden observar en la Fig. 3.
Coeficiente de pérdida de carga
Se calcula el coeficiente de pérdida de carga Kpara cada
situación mediante el cociente que se observa a continua-
ción
K=∆P
ρV2/2.(3)
Donde ∆Pes la caída de presión entre los puntos 1 y 2 mar-
cados en la Fig. 3,ρes la densidad del agua a 20°C (ρ
= 998.2 kg/m3) y Ves la velocidad de entrada calculada
a partir del número de Reynolds. Observando la Tabla 1se
comprueba que para las distintas velocidades de entrada, los
distintos números de Reynolds analizados, el coeficiente de
pérdida de carga Kse mantiene constante para una apertu-
ra determinada. Por este motivo se puede afirmar que Kes
independiente del número de Reynolds cuando se trata con
un flujo turbulento totalmente rugoso.
Luego, como se muestra en la Fig. 4, se contrastan los
resultados obtenidos tanto con valores experimentales co-
mo con los correspondientes a las simulaciones realizadas
por otros autores [2,3]. Puede observarse un buen acuer-
do con los mismos y se destaca que la gráfica obtenida en
este trabajo se encuentra entre la curva experimental y las
reportadas mediante simulación por los autores.
TABLA 1: Valores de K obtenidos con SimScale.
Ángulo[°] Número de Re (×105)
1 3 5 7 10
0 0.260 0.198 0.176 0.163 0.150
10 1.738 1.745 1.749 1.753 1.758
20 3.737 3.683 3.692 3.662 3.716
30 9.743 9.733 9.743 9.756 9.842
40 20.059 20.072 20.090 20.098 20.136
50 42.050 42.112 42.156 42.234 42.271
Existen varias causas que podrían explicar las discrepan-
cias entre experimento y simulación. Entre ellas se puede
destacar que, dentro de los modelos de turbulencia, los mo-
delos tipo RANS presentan limitaciones para replicar ca-
sos con desprendimiento de vórtices, como ocurre con los
mayores ángulos de apertura. Asimismo, existen caracte-
rísticas del experimento que son omitidas por el modelado
computacional como las pérdidas de carga localizadas pro-
vocadas por uniones entre la válvula y los tramos de cañería,
las diferencias entre la rugosidad relativa del material y la
estimación derivada de las leyes de pared, y los errores de
apreciación en el ángulo de apertura reportado.
FIG. 4: Coeficiente de pérdida de carga para distintos grados de
apertura de la válvula.
A una apertura total, las diferencias tienen una magnitud
relativa importante, del 80 %, ya que no existen grandes pér-
didas de carga por lo que los valores de Kson reducidos, del
orden de 10−1. Una pequeña desviación a la hora de obtener
los datos del autor o la existencia de los primeros factores
mencionados, contribuyen de gran manera a las diferencias
entre los resultados para una apertura del 100 %. Se tiene
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FIG. 5: Magnitud de velocidad para distintos grados de apertura en un corte normal al eje del obturador.
FIG. 6: Presión para distintos grados de apertura en un corte normal al eje del obturador.
una diferencia del 8% para un ángulo de 10°, del 19% para
20° rotados, del 13% para 30°, del 15% para 40° y por úl-
timo del 24.5% para 50°. Puede decirse que, el aumento de
las diferencias existentes entre los resultados experimenta-
les y las simulaciones cuando la válvula se gira un ángulo
mayor, puede atribuirse a la falta de exactitud al representar
el fenómeno real con el modelo de turbulencia. En las Figs.
5y6se observan las distribuciones de la magnitud de ve-
locidad y presión respectivamente, para distintos grados de
apertura de la válvula. Aquí se puede apreciar una estructu-
ra asimétrica de desprendimiento de vórtices para mayores
grados de cierre del obturador generando una caída de pre-
sión localizada consistente con lo resultados presentes en la
literatura [1,3].
Contraste entre estricción y válvula esférica
En la Fig. 7puede observarse la distribución de velocida-
des cuando circula agua en régimen turbulento a través de
una cañería que presenta una estricción axisimétrica. En la
imagen se puede distinguir un aumento de velocidad en el
sector donde se encoge el diámetro y una disminución de
la misma al desbloquearse el flujo, es decir, cuando la tu-
bería recupera el diámetro inicial. En este caso la estructura
del flujo tiene una simetría axial tal como la que posee la
estricción que se utiliza, lo cual permitiría optimizar la si-
mulación a una geometría más sencilla bidimensional, con
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FIG. 7: Estricción axisimétrica. 50% de bloqueo.
celdas tipo “wedge”o “cuña” e imponiendo condiciones de
simetría en la dirección azimutal. Por otro lado, como puede
observarse en la Fig. 5, para el caso de la válvula esférica,
cuando el obturador se rota el área de paso efectiva es menor
que el área de la tubería y la velocidad aumentará a la salida
del dispositivo. Aquí puede destacarse cómo el flujo cambia
su estructura luego de atravesar la válvula. Aguas arriba de
la misma es simétrico pero como la abertura de la válvula
no se encuentra centrada en el eje de la cañería, sino que se
encuentra en la parte inferior de ella (por la disposición que
se muestra en las Figs. 5y6), se pierde la simetría. Se puede
ver con claridad cómo el fluido se adhiere a la pared inferior
de la tubería como consecuencia de la posición y tamaño de
la abertura de la válvula. En este caso al perderse la simetría
se imposibilita simplificar el problema.
IV. CONCLUSIONES
Se analizó un flujo a través de una válvula esférica y se
contrastaron los resultados obtenidos mediante CFD con los
de otros trabajos, tanto de simulaciones como análisis expe-
rimentales. Se ha obtenido un buen acuerdo con los mismos
teniendo una cota máxima de 24.5% de diferencia para una
rotación del obturador a un ángulo de 50º. Al lograr esta
precisión compatible con los experimentos, puede utilizarse
SimScale como una herramienta mediante la cual se pueden
estudiar válvulas industriales.
REFERENCIAS
[1] M.-J. Chern, C.-C. Wang y C.-H. Ma. Performance test and
flow visualization of ball valve. Experimental thermal and
fluid science 31, 505-512 (2007).
[2] S. F. Moujaes y R. Jagan. 3D CFD predictions and experi-
mental comparisons of pressure drop in a ball valve at dif-
ferent partial openings in turbulent flow. Journal of Energy
Engineering 134, 24-28 (2008).
[3] A. Tabrizi, M. Asadi, G. Xie, G. Lorenzini y C. Biserni.
Computational fluid-dynamics-based analysis of a ball valve
performance in the presence of cavitation. Journal of engi-
neering thermophysics 23, 27-38 (2014).
[4] H. G. Weller, G. Tabor, H. Jasak y C. Fureby. A tensorial ap-
proach to computational continuum mechanics using object-
oriented techniques. Computers in Physics 12, 620-631
(1998).
[5] S. V. Patankar y D. B. Spalding. A calculation procedure for
heat, mass and momentum transfer in three-dimensional pa-
rabolic flows. International Journal of Heat and Mass Trans-
fer 15, 1787-1806 (1972).
[6] B. Tantaro, Y. Wah y R. Yuen. Pressure Drop of Partially
Blocked Hagen-Poiseuille Flow using CFD Simulation. In-
ternational Journal of Automotive and Mechanical Enginee-
ring 17, 7552-7561 (2020).
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