Simulação numérica do escoamento em difusores radiais com discos frontais fixos e móveis

Abstract

The flow description in suction and discharge valves used in refrigeration compressors is very complex. Therefore, the valves have been studied through simpler models as the radial diffuser. The static configuration, which disregards the movement of the frontal disc, has been widely studied and has produced important contributions to the development of valves designs. However, the real problem is characterized by a strong fluid-structure interaction due to the coupling between the fluid flow and the dynamics of the frontal disc. A gap in the literature is the absence of studies on the numerical simulation of this fluid-structure interaction problem as the experimental validation is the main concern. In this work, the flow through radial diffusers with static and moving frontal discs are numerical investigated using a commercial code based on the Finite Volume method (Fluent version 15.0) aiming at analyzing in details the main characteristics of the flow. Firstly, the flow through a radial diffuser with static frontal disc and diameter ratio of D/d=1.5 was studied. The numerical methodology was experimentally validated for Reynolds numbers varying from 4,000 to 20,000 and distances between discs in the range of s/d=0.01 to s/d=0.09. Then, the same basic geometry was used to study the fluid-structure interaction problem, in which the dynamics of the frontal disc was modeled as a one degree of freedom mass-spring-damping system. The numerical methodology was validated with experimental data for Reynolds numbers around 2,000, considering two stiffness systems. The obtained results show that both methodologies can be considered partially validated ...

A caracterização do escoamento em válvulas de sucção e descarga de compressores de refrigeração é muita complexa, portanto as válvulas têm sido estudadas por meio de modelos com geometrias mais simples, como a geometria denominada de difusor radial. A configuração estática, que desconsidera o movimento do disco frontal no modelo do difusor radial, foi bastante estudada, o que produziu importantes contribuições para o desenvolvimento do projeto de válvulas. No entanto, o problema é caracterizado por uma forte interação fluido-estrutura devido ao acoplamento entre o escoamento e a dinâmica do movimento do disco frontal. Uma lacuna observada na literatura é a ausência de estudos de simulação numérica do escoamento em difusores radiais, quando na presença de interação fluido-estrutura no disco frontal, com a preocupação de validação da metodologia numérica por meio de dados experimentais. Neste trabalho, os escoamentos em difusores radiais com discos frontais fixos e móveis foram investigados numericamente usando um código comercial baseado na metodologia de Volumes Finitos (Fluent versão 15.0), com o objetivo de analisar detalhadamente as principais características do escoamento. Numa primeira etapa foi estudado o escoamento em um difusor radial com disco frontal fixo com razão de diâmetro de D/d=1,5. A metodologia numérica foi validada experimentalmente para números de Reynolds variando de 4.000 a 20.000 e afastamentos entre discos na faixa de s/d=0,001 a s/d=0,09. Posteriormente, a mesma geometria foi usada para estudar o problema de interação fluido-estrutura quando o disco frontal é móvel, onde a dinâmica do disco frontal foi modelada como um sistema massa-mola-amortecimento com um grau de liberdade. A metodologia numérica foi validada com dados experimentais para números de Reynolds em torno de 2.000, considerando sistemas com duas constantes de elasticidade...