Dynamics of one-degree-of-freedom oscillators in fluid flow with applications on relief valve valve stability  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
116549
Type K
Principal investigator Hős, Csaba
Title in Hungarian Áramlásba helyezett egyszabadságfokú lengőrendszerek dinamikus viselkedése, szelepstabilitási alkalmazásokkal
Title in English Dynamics of one-degree-of-freedom oscillators in fluid flow with applications on relief valve valve stability
Keywords in Hungarian öngerjesztett rezgések, kapcsolt áramlástani-mechanikai probléma, instabilitás, szeleprezgés
Keywords in English self-excited oscillations, fluid-structure interaction, instability, valve chatter
Discipline
Flow and Thermal Technology (Council of Physical Sciences)50 %
Ortelius classification: Thermal engineering
Technical Mechanics (Council of Physical Sciences)50 %
Panel Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences
Department or equivalent Department of Hydrodinamic Systems (Budapest University of Technology and Economics)
Starting date 2015-09-01
Closing date 2019-08-31
Funding (in million HUF) 11.832
FTE (full time equivalent) 2.40
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A műszaki gyakorlatban számos esetben találkozunk áramlásba helyezett mozgó alkatrészekkel, tipikusan hidraulikus vagy pneumatikus rendszerek esetén, pl. olajipari biztonsági szelepek, volumetrikus szivattyúk visszacsapószelepei vagy gépjármű fékszelepek. Ilyen esetekben a rendszer dinamikus modellezése során alapvető fontosságú a folyadék és a benne mozgó merev test egymásrahatásának pontos leírása, mivel csak valósághű fizikai-matematikai modellek segítségével válik lehetővé a rendszer numerikus és analitikus vizsgálata. A munka során a következő részproblémákra kívánunk koncentrálni. (1) Áramlásba helyezett, rezgőmozgást végző testekre ható átlagos csillapítóerő meghatározása és olyan csillapítóerő-modell felállítása, mely kellő egyszerűségű ahhoz, hogy a test newtoni mozgásegyenletében alkalmazható legyen és további analitikus számításokat lehetővé tegyen. (2) Áramlásba helyezett lengőrendszerek (pl. szelep zárótestek) öngerjesztett rezgéseinek megelőzése megfelelő szeleptest-geometria kialakításával. Korábbi vizsgálataink (részletesen ld. munkaterv) arra engednek következtetni, hogy a káros szeleprezgések kialakulása jelentősen befolyásolható a szelepgeometria segítségével. A munka során olyan szelepgeometriát kívánunk kialakítani, amely passzív módon képes megelőzni vagy késleltetni a rezgések kialakulását. (3) Szelep és kilépőoldali csővezetékrendszer egymásrahatásának vizsgálata. A kutatás vezetője jelentős tapasztalattal bír nyomáshatároló szelepek és belépőoldali (felvíz-oldali) csővezetékrendszerek interakciójának vizsgálatában. A munka során az eddig felállított matematikai modellt kívánjuk alkalmazni a szelep utáni csővezetékrendszer hatásának vizsgálatára.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

(1) Áramlásban helyezett, öngerjesztett rezgést végző, gömb, kúp vagy tárcsa geometriájú testre ható csillapítóerő becslésére felállítható-e olyan modell, mely analitikus vizsgálatokhoz kellően egyszerű, mégis, a mérnöki célokhoz kellően pontos?

(2) Megelőzhető-e áramlásba helyezett lengőrendszer öngerjesztett rezgésének kialakulása pusztán megfelelő geometria kialakításával?

(3) Hogyan befolyásolja a szeleprezgéseket az alvízoldali csővezetékrendszer? Milyen esetekben hanyagolható el, és milyen esetekben válnak fontossá a folyadékelvezető rendszerben lejátszódó áramlástani jelenségek?

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

A kutatás során lépéseket teszünk olyan mérnöki tervezési és ellenőrzési módszerek kidolgozása felé, melyek segítségével stabilan működő, biztonságosabb áramlás- és nyomásirányító szelepek tervezhetők.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média illetve az adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

Az áramlás- és nyomásirányító szelepek szinte észrevétlenül teszik a dolgukat a mindennaposan használt eszközökben, pl. az gépkocsik és vonatok fékrendszereiben, a kőolaj- és földgázvezetékekben, vagy akár a családi házak kazánjaiban. Ezen eszközökben egyszerű mechanikai rendszerek lépnek kapcsolatba áramló közeggel (pl. vízzel, levegővel, stb.), mely interakció hatására komplex, nehezen megjósolható jelenségek, rezgések keletkezhetnek. A kutatás az ilyen rezgések előrejelzését ill. olyan módszerek kidolgozását célozza, melyek segítségével már a tervezés fázisában kiküszöbelhetők ezek a veszélyes jelenségek.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

Interaction between fluid flow and simple 1DoF oscillators is commonly encountered in fluid engineering, e.g. in the case of safety valves in oil and gas industry, check valves of positive displacement pumps or brake systems. In these problems the proper modelling of the interaction between the fluid and the rigid body is essential for numeric and analytical studies. Within the project we plan to focus on the following issues. (1) Developing a model for predicting the mean fluid force acting on a body oscillating harmonically in fluid flow. The model should be simple enough for employing it in the newtonian equation of motion and conducting analytical studies. (2) Avoiding or suppressing self-excited oscillations of oscillators in fluid flow (e.g. valve bodies) by means of adjusting valve body geometry. Our previous studies (see detailed project plan) suggest that valve flutter can be significantly influenced by proper valve geometry. We are planning to design such valve types that are capable of predicting the onset of valve flutter and chatter in a passive way. (3) Interaction of valve and downstream pipeline system. The PI has significant experience in analysing the interaction of pressure relief valves and upstream pipeline systems. In the framework of the current project we wish to extend this know-how on the influence of the downstream pipeline systems.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

(1) Is it feasible to develop a model for predicting the fluid force on a body (of sphere, cone or disc shape) oscillating harmonically in fluid flow that is simple enough for analytic computations yet accurate enough for engineering purposes?

(2) Is it possible to prevent self-excited oscillations of 1 DoF oscillators in fluid flow by merely designing proper geometry?

(3) To what extent does the downstream pipeline system influence valve flutter? In which cases is it negligible and when is it important to consider the fluid dynamical effects in the downstream pipeline system?

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

In the framework of the project we take steps towards design and verification techniques that make it possible to design stable and safer flow- and pressure control valves.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

Flow- and pressure control valves fulfil their duty unperceived in many devices used in our everyday life, e.g. in the brake systems of cars and trains, oil- and gas industry or even in the furnaces. In these devices simple mechanical systems interact with fluid flow (e.g water or air) that can lead to complex dynamics that is hard to predict. The project aims to develop such engineering techniques that can forecast such dangerous scenarios as early as in the design phase.





 

Final report

 
Results in Hungarian
A kutatási projekt során áramlásba helyezett egyszabadságfokú lengőrendszerek dinamikus viselkedését vizsgáltuk, különös tekintettel azok stabilitási tulajdonságokra. Az elért eredmények segítségével biztonságosabb nyomáshatároló biztonsági szelepek tervezhetők, melyek széles paramétertartományban és bonyolult rendszerekhez kapcsolva is képesek stabilan működni. Olyan, már a számítógépes tervezés fázisában alkalmazható eljárásokat dolgoztunk ki, melyek segítségével tetszőleges csővezetékrendszerhez kiválasztható az optimális szelep. A felépített kísérleti berendezés segítségével az eddigieknél részletesebben voltunk képesek vizsgálni a szelepgeometria hatását az elmozdulás-erő karakterisztikára, így a tervezés korai fázisában meg tudjuk becsülni a szelepalak megváltoztatásának hatását. Az elért eredmények hatékonyan alkalmazhatók létező vegyipari, hidraulikai (pl. víziközmű) és pneumatikus rendszerek vizsgálatára és értékelésére.
Results in English
This research project focused on the dynamic behaviour of one-degree-of-freedom oscillatory systems subjected to fluid flow, notably on the prediction of their stability properties. Our findings allow us to design safer pressure relief valves, which are capable of venting complex pipeline and reservoir systems in a wide parameter range. We have also developed computer algorithms that can help to choose the optimal valve for arbitrarily complex pipeline systems as early as in the phase of design. A test rig was built that provided a vast amount of measurement data on the effect of the valve geometry on the (fluid) force-displacement characteristics of such valves. Our findings can easily be applied for the analysis and safety evaluation of existing chemical, hydraulic (e.g. water distribution systems) and pneumatic systems.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=116549
Decision
Yes





 

List of publications

 
Erdődi I, Hős C: Prediction of quarter-wave instability in direct spring operated pressure relief valves with upstream piping by means of CFD and reduced order modelling, J FLUID STRUCT 73: 37-52, 2017
Erdődi István Tamás, Hős Csaba: Numerical modelling of a direct spring operated pressure relief valve, J COMPUT APPL MECH 11: (2) 123-136, 2017
Hos CJ, Champneys AR, Paul K, McNeely M: Dynamic behaviour of direct spring loaded pressure relief valves connected to inlet piping: IV review and recommendations, J LOSS PREVENT PROC 48: 270-288, 2017
Erdődi István Tamás, Hős Csaba: Nyomáshatároló szelep dinamikus stabilitásának numerikus áramlástani vizsgálata, In: Dr Csibi Vencel-József (szerk.) (szerk.) OGÉT 2016: XXIV. Nemzetközi Gépészeti Találkozó = 24th International Conference on Mechanical Enginering. Déva, Románia, 2016.04.21-2016.04.24. Kiadvány: Kolozsvár: Erdélyi Magyar Műszaki Tudományos Társaság (EMT), 2016. pp. 106-109., 2016
Erdődi István, Hős Csaba: Effect of Disc Geometry on the Dynamic Stability of Direct Spring Operated Pressure Relief Valves, In: Manolis Papadrakakis (szerk.) (szerk.) VII European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering . Hersonissos, Görögország, 2016.06.05-2016.06.10. Kiadvány: Hersonissos: European Community on Computational Methods in Applied Sciences (ECCOMAS), 2016. Paper 10824. , 2016
Fülöp Csaba Gergő, Hős Csaba: Nyomáshatároló tányérszelep öngerjesztett rezgéseinek kísérleti vizsgálata, In: Dr Csibi Vencel-József (szerk.) (szerk.) OGÉT 2016: XXIV. Nemzetközi Gépészeti Találkozó = 24th International Conference on Mechanical Enginering. Déva, Románia, 2016.04.21-2016.04.24. Kiadvány: Kolozsvár: Erdélyi Magyar Műszaki Tudományos Társaság (EMT), 2016. pp. 134-138., 2016
Hos CJ, Champneys AR, Paul K, McNeely M: Dynamic behaviour of direct spring loaded pressure relief valves: III valves in liquid service, J LOSS PREVENT PROC 43: 1-9, 2016
Hős Csaba, Bazsó Csaba, Champneys Alan: Model reduction of a direct spring-loaded pressure relief valve with upstream pipe, IMA J APPL MATH 80: (4) 1009-1024, 2015
Dr. Hős Csaba: Periodikusan mozgó, áramlásba helyezett testek ellenállástényezőjének mérése (további eredmények), In: Barabás, István (szerk.) XXVII. Nemzetközi Gépészeti Konferencia OGÉT 2019, Erdélyi Magyar Tudományos Társaság (2019) pp. 217-220., 2019
Erdődi István Tamás, Hős Csaba, Felhős Dávid: Stability analysis of spring operated check valves with upstream and downstream pipings, In: Vad, J (szerk.) Proceedings of Conference on Modelling Fluid Flow (CMFF'18), CFD.HU Kft. (2018) Paper 56, 2018
Huzsvár Tamás, Hős Csaba, Erdődi István: Periodikusan mozgó, áramlásba helyezett testek ellenállástényezőjének mérése, In: Csibi, Vencel-József; Barabás, István (szerk.) OGÉT 2018: XXVI. Nemzetközi Gépészeti Konferencia: 26th International Conference on Mechanical Engineering., Erdélyi Magyar Műszaki Tudományos Társaság (EMT) (2018) pp. 212-215., 2018
Kádár Fanni, Erdődi István, Hős Csaba: Direkt rugóterhelésű nyomáshatároló szelep fázisterének vizsgálata, In: Csibi, Vencel-József; Barabás, István (szerk.) OGÉT 2018: XXVI. Nemzetközi Gépészeti Konferencia: 26th International Conference on Mechanical Engineering., Erdélyi Magyar Műszaki Tudományos Társaság (EMT) (2018) pp. 244-247., 2018
Kádár Fanni, Erdődi István Tamás, Hős Csaba: Nyomáshatároló szelep zárótestére ható erő kísérleti vizsgálata, In: OGÉT 2017: XXV. Nemzetközi Gépészeti Konferencia, Erdélyi Magyar Műszaki Tudományos Társaság (EMT) (2017) pp. 215-218., 2017
Kádár Fanni, Erdődi István Tamás, Hős Csaba: Phase space analysis of a pressure relief valve, In: Bodzás, Sándor; Mankovits, Tamás (szerk.) Proceedings of the 5th International Scientific Conference on Advances in Mechanical Engineering (ISCAME 2017), University of Debrecen Faculty of Engineering (2017) pp. 235-240., 2017
Erdődi István, Hős Csaba: Effect of Disc Geometry on the Dynamic Stability of Direct Spring Operated Pressure Relief Valves, In: M., Papadrakakis; V., Papadopoulos; G., Stefanou; V., Plevris (szerk.) ECCOMAS Congress 2016 : Proceedings of the VII European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering, European Community on Computational Methods in Applied Sciences (ECCOMAS) (2016) pp. 7695-7702., 2016
Bazsó Csaba, Hős Csaba: On the static instability of liquid poppet valves, PERIODICA POLYTECHNICA-MECHANICAL ENGINEERING 59: (1) pp. 1-7., 2015
Erdődi István Tamás, Hős Csaba: CFD Simulation on the Dynamics of a Direct Spring Operated Pressure Relief Valve, In: Vad, J (szerk.) Proceedings of Conference on Modelling Fluid Flow (CMFF'15), CFD.HU Kft. (2015) 103, 2015
Hos CJ, Champneys AR, Paul K, McNeely M: Dynamic behaviour of direct spring loaded pressure relief valves in gas service: II reduced order modelling, JOURNAL OF LOSS PREVENTION IN THE PROCESS INDUSTRIES 36: pp. 1-12., 2015
Hős Csaba, Bazsó Csaba, Champneys Alan: Model reduction of a direct spring-loaded pressure relief valve with upstream pipe, IMA J APPL MATH 80: (4) 1009-1024, 2015
Erdődi István, Hős Csaba: Effect of Disc Geometry on the Dynamic Stability of Direct Spring Operated Pressure Relief Valves, In: Manolis Papadrakakis (szerk.) (szerk.) VII European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering . Hersonissos, Görögország, 2016.06.05-2016.06.10. Kiadvány: Hersonissos: ECCOMAS (European Community on Computational Methods in Applied Sciences), 2016. Paper 10824. , 2016




Back »