Numerical analysis of the globe GreenValve

GreenValve is a control valve designed to recover energy from the fluid regulation process. The first GreenValve prototype involved the modification of a ball valve in which a turbine was introduced into the main regulating body in order to recover energy. This thesis is an essential part of GreenValve's concept of applying a different type of valve widely used in industry: the globe valve. This thesis takes a preliminary study through the methods of computational fluid dynamics in order to have a first assessment of the potential of the application in both fluid dynamics and energy. After a description of the fundamental parameters involved and the tools used for the analysis, the results of the numerical simulation campaign (77 steady and 50 unsteady simulations) will be presented. Summarizing the procedure used to perform the numerical analysis, the first step involved the design of a standard globe valve that could then be used for the modification. The geometry was then used for the extraction of the fluid part necessary for the definition of the study domain within the software for the execution of CFD (Computational Fluid Dynamics) simulations. The first simulation campaign concerned the characterization of the standard globe valve and the determination of the characteristic operating curve. Subsequently, the valve design has been modified to accommodate an impeller inside it. In this way a standard valve was transformed into an energy recovery valve. The redesigned valve was simulated this time to obtain both the characteristic curve, through stationary simulations similar to those performed for the standard valve, and the energy recovery efficiency through non-stationary RANS simulations. The result is the hill diagram. The last part of the thesis concerns the first steps in the design optimization process needed to solve some emerging issues, such as CV dependency with the rotational speeds that limit the use of the valve, and to increase turbine efficiency by providing some changes to the system.

La GreenValve è una valvola di controllo progettata per il recupero di energia dal processo di regolazione dei fluidi. Il primo prototipo di GreenValve ha riguardato la modifica di una valvola a sfera in cui è stata introdotta una turbina nel corpo di regolazione principale al fine di recuperare energia. Questo lavoro di tesi è parte essenziale del progetto di applicazione del concetto di GreenValve ad un tipo differente di valvola molto diffusa in ambito industriale: la valvola a globo. La tesi effettua uno studio preliminare attraverso I metodi della fluidodinamica computazionale allo scopo di avere una prima valutazione del potenziale dell’applicazione in termini sia fluidodinamici che energetici. Dopo una descrizione dei parametri fondamentali in gioco e degli strumenti utilizzati per l’analisi verranno presentati i risultati della campagna di simulazione numerica svolta (77 simulazioni steady e 50 unsteady). Riassumendo la procedura utilizzata per effettuare l'analisi numerica, il primo passo ha riguardato il disegno di una valvola standard a globo che potesse poi essere utilizzata per la modifica. La geometria è poi stata utilizzata per l'estrazione della parte fluida necessaria alla definizione del dominio di studio all'interno del software per l'esecuzione delle simulazioni CFD (Computational Fluid Dynamics). La prima campagna di simulazione ha riguardato la caratterizzazione della valvola globo standard e la determinazione della curva caratteristica di funzionamento. Successivamente il design della valvola è stato modificato per poter ospitare una girante al suo interno. In questo modo è stata trasformata una valvola standard in una valvola a recupero di energia. La valvola ridisegnata è stata questa volta simulata per ottenere sia la curva caratteristica, attraverso simulazioni stazionarie simili a quelle svolte per la valvola standard, sia l'efficienza di recupero energetico attraverso questa volta simulazioni RANS non stazionarie. Il risultato sono le curve di funzionamento collinari. L'ultima parte della tesi riguarda i primi passi del processo di ottimizzazione progettuale, necessari per risolvere alcuni problemi sorti, come la dipendenza tra CV e velocità di rotazione che limitano l'uso della valvola, e per aumentare l'efficienza della turbina, apportando alcune modifiche al sistema.