Numerical analysis of cavitation in a control valve

As part of the Master Thesis project developed at the Die Casting Research and Development division of Bühler AG, Uzwil, Switzerland, a numerical analysis has been carried out to study the effects of cavitation on the shot valve for a Die Casting machine. The main idea is to create a “Simulation model” for the proportional control valve to represent the characteristic performance curves of the proportional control valve. Since the shot unit for the Die Casting machine is considered highly dynamic with parameters changing in a time span of milliseconds, the goal is to model the flow with the existing machine data. This would allow the user to have a clear understanding of the behaviour of the highly nonlinear flow when there are unusually high pressure drops occurring at the control valve. Furthermore, the lifetime of the shot valve has been observed to be reduced drastically due to the sudden effects of cavitation, which is believed to be the after effects of the hydraulic fluid subjected to the high pressure drops. The numerical analysis has been carried out by using the commercial software ANSYS FLUENT as this is a commercial simulation tool recognized worldwide for two-phase flows, offering its users with wide variety of cavitation models. Experimental analysis carried on the shot valve through measurements in house has been utilised to validate the numerical analysis. The results have shown that there are certain regions in the operation of the control valve that might lead to cavitation both on the spool and housing. These localised regions have been studied extensively to calculate accurately the local static pressures, the time of occurrence and their behaviour. Further, a two phase model has confirmed the formation of vapor due to the local static pressures going below the saturation pressure.

Nell'ambito del progetto di tesi di laurea sviluppato presso la divisione di ricerca e sviluppo pressofusione di Bühler AG, Uzwil, Svizzera, è stata condotta un'analisi numerica per studiare gli effetti della cavitazione sulla valvola di lancio per una macchina di pressofusione. L'idea principale è quella di creare un "modello di simulazione" per la valvola di controllo proporzionale per rappresentare le curve caratteristiche delle prestazioni della valvola di controllo proporzionale. Poiché l'unità di sparo per la macchina di pressofusione è considerata altamente dinamica con la modifica dei parametri in un intervallo di millisecondi, l'obiettivo è quello di modellare il flusso con i dati macchina esistenti. Ciò consentirebbe all'utente di avere una chiara comprensione del comportamento del flusso altamente non lineare quando si verificano perdite di pressione insolitamente elevate nella valvola di controllo. Inoltre, è stato osservato che la vita utile della valvola di iniezione è stata ridotta drasticamente a causa degli effetti improvvisi della cavitazione, che si ritiene siano gli effetti secondari del fluido idraulico sottoposto alle alte cadute di pressione. L'analisi numerica è stata effettuata utilizzando il software commerciale ANSYS FLUENT poiché è uno strumento di simulazione commerciale riconosciuto a livello mondiale per flussi bifase, offrendo ai suoi utenti un'ampia varietà di modelli di cavitazione. Per convalidare l'analisi numerica sono state utilizzate analisi sperimentali effettuate sulla valvola di sparo tramite misure in casa. I risultati hanno mostrato che vi sono alcune regioni nel funzionamento della valvola di controllo che potrebbero portare alla cavitazione sia sulla bobina che sull'alloggiamento. Queste regioni localizzate sono state studiate estensivamente per calcolare con precisione le pressioni statiche locali, il tempo di occorrenza e il loro comportamento. Inoltre, un modello a due fasi ha confermato la formazione di vapore a causa delle pressioni statiche locali che scendono al di sotto della pressione di saturazione.