中心型蝶阀流场的数值模拟研究

    1 前言

    蝶阀以其结构简单和适合用于大中口径管道的结构特点，得到了广泛的应用。应用传统的阀门设计方法已经很难满足蝶阀设计生产的需要，在这种情况下数值模拟方法应运而生，它能够从更深层次对蝶阀的内部流场状况进行模拟，将流体力学的相关理论真正应用到蝶阀设计过程中去，对蝶阀设计制造具有深远的意义。即是利用数值模拟软件FLUENT对典型蝶阀的内部流场进行数值模拟，从而为蝶阀改进设计提供依据。以期对蝶阀的设计制造起到一定的指导作用。

    2 N－S方程

    黏性流体的运动方程的Navier-Stokes方程，简称N—S方程。（1）适用于可压缩黏性流体的运动方程如式（1）。（2）理想流体的运动方程—Euler方程。若不考虑流体的黏性，则由上式可得理想流体的运动方程—Euler方程如式（2）。N—S方程比较准确地描述了实际的流动，黏性流体的流动分析均可归结为对N－S方程的研究。由于其形式甚为复杂，实际上只有极少情况下可以求出精确解，故产生了通过数值求解的研究，这也是计算流体力学进行计算的最基本的方程。可以这么说，所有的流体流动问题，都是围绕对N—S方程的求解进行的。

        （1）

        （2）

    3 中心型蝶阀

    蝶阀是用随阀杆转动的圆形板件作启闭件，往复回转90°左右来开启，关闭和调节流体通道的一种阀门。蝶阀主要用作截断阀，亦可设计成具有调节或截断兼调节的功能。目前蝶阀在低压大中口径管道上的使用越来越多。中心型蝶阀三维模型图，如图1所示。

图1 中心型蝶阀三维模型

    4 中心型蝶阀流场的数值模拟

    以典型中心型蝶阀DN1000为例，为保证流场的稳定性，取蝶阀及其前部管道L₁=5D（D为管道直径）与其后部管道L₂=10D一同作为计算域。网格划分采用了非结构混合网格技术，利用FLUNENT软件包中的前处理软件GAMBIT强大的网格划分功能，采用自适应的网格技术对流场进行调整，使其模拟出更加精细的流动。采用不可压缩流动的雷诺时均方程组，湍流模型采用标准k-ε模型；所有方程中的对流项均用二阶迎风格式离散，离散方程的求解采用压力耦合方程组的半隐式方法（SIMPLE算法），所有方程中的对流项均用二阶格式离散，所有方程的熟练残差均为0.0001，全流场计算了定常流动，得到了阀内流场的详细分布情况。利用GAMBIT建立计算模型。面的网格划分情况，如图2所示。利用Gambit建立阀门不同开度情况下的计算区域，阀转过了相应的角度即可。

图2 阀板附近的网格划分情况

    利用FLUENT求解器求解。为了研究阀门的流场特性，按照阀门开度为100%，60%和45%的3种典型工况，将入口速度设置为1，模拟阀门全开，较大开度，半开3种典型状态，进行比较分析。

    4.1 阀门全开时流场模拟结果分析

    阀门全开，流速1m/s时压力模拟结果，如图3所示。

图3 流速1m/s时压力图

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    阀门全开，流速1m/s时流场流速模拟结果，如图4所示。阀门全开，流速1m/s时流场速度矢量模拟结果，如图5所示。阀门100%开度，水流速度1m/s时流场特性分析。

    （1）从压力图3可知，整个阀板和阀壁受力状况良好，受力较均匀，只是在阀板端部小区域内形成局部高压区，对阀板前部形成一定的冲击，但考虑到这种冲击发生在阀板的大尺寸方向，且上下对称，因此对蝶阀整体的影响不大。（2）从速度图4可知，流速的上下对称性较好，速度梯度比较温和，流速过度区域比较大。在阀板前端和后端形成的低速区亦在我们的意料之中，和实践的情况也较吻合，说明模拟结果可信度较高。（3）从速度矢量图5可知，整个流场基本以层流为主，整体看流场状况较为平稳。总体来看，蝶阀全开时，流速分布较均匀，整个流态相当平稳。

图4 流速1m/s时速度图

图5 流速1m/s时速度矢量图

    4.2 阀门60%开度时流场模拟结果分析

    阀门60%开度，流速1m/s时流场压力模拟结果，如图6所示。

图6 流速1m/s时压力图

    阀门60%开度，流速1m/s时流场速度模拟结果，如图7所示。阀门60%开度，流速1m/s时流场速度矢量模拟结果，如图8所示。阀门60%开度，水流速度1m/s时流场特性分析。

图7 流速1m/s时速度图

图8 流速1m/s时速度矢量图

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    （1）从压力图6可知，阀板总体呈现前高压，后低压的状况，同时后部的低压区较为均匀，梯度不大，相比较前部的高压区又呈现出明显的上部低压，下部高压的特点，使得阀板的受力无论前后，还是上下都出现不对称的情况，不过由于此时的压力梯度并不太大，所以阀板虽然受力较复杂，但不会产生较为严重的问题。（2）从速度图7可知，阀板上下过流区域的流速过大，会对附近的管壁 
造成一定的冲击。阀板后部的层状低速区则清晰可见。（3）速度矢量图8可知，流场仍以层流为主，未见明显异常。

    4.3 阀门45%开度时流场模拟结果分析

    阀门45%开度，流速1m/s时流场压力模拟结果，如图9所示。

图9 流速1m/s时压力图

    阀门45%开度，流速1m/s时流场速度模拟结果，如图10所示。

图10 流速1m/s时速度图

    阀门45%开度，流速1m/s时流场速度矢量模拟结果，如图11所示。

图11 流速1m/s时速度矢量图

    阀门45%开度，水流速度1m/s时流场特性分析。

    （1）从压力图9上可知，以阀板为界，前面和后面分为典型的高压区和低压区，阀板的单面受力状况相对较简单，但由于前面和后面的压差较大，造成此时阀板整体的受力环境比较恶劣。（2）从速度图10可知，阀板两端过流区的流速较大，速度梯度也较大，对管壁形成一定的冲击，由于蝶阀背面存在局部低压区，从蝶阀上方越过的流体部分折向下流，从蝶阀下方流过的流体部分折向上流，在阀板背面靠下部分形成旋涡。（3）从速度矢量图11可知，涡流区依稀可见。

    5 结论

    通过分析模拟结果，可以得出以下几点结论：（1）阀门全开时或者是开度较大时过流状况较好，主要表现在整体的速度梯度较小，无论对阀板还是管壁的冲击都较小，从其速度矢量场则可以看出此时整个流场以层流为主，流场状况较简单。（2）随着阀门开度的减小，首先是在阀板后部形成低压区，随着阀门开度的进一步减小，阀板边缘过流区的速度梯度明显增大，同时在阀门45%开度左右在阀板背部开始形成清晰可见的涡流区，使阀门内部的流场状况开始变的不稳定。