加强筋对大口径中心型蝶阀流动特性影响的数值分析

    蝶阀是工业和农业领域常见的阀门，主要起切断和节流作用。蝶阀启闭件是一个圆盘形的阀板，在阀体内绕自身轴线旋转，从而达到启闭或调节的目的。近年来，随着计算机技术及计算流体动力学软件的发展，越来越多的人利用数值计算的方法分析蝶阀内部三维流动特性，如压力流速分布、分离流动区域等。袁新明等数值模拟研究了阀门的阻力特性；诸葛伟林等采用基于非结构、非交错网格的有限体积法求解用两方程模型封闭的雷诺平均N-S方程组，对蝶阀的三维分离流动进行了数值模拟，得出蝶阀的流动阻力系数随着蝶阀关闭角度的增大呈指数性增长的结论；沈新荣等针对自行开发的一类安装配流板的新型电动蝶阀模型，进行了三维数值模拟和实验研究，对不同开度下电动蝶阀的三维湍流流动进行了数值计算；刘健等对大口径蝶阀运用商用流体计算软件FLUENT，对其不同开度情况下的流场形式进行了三维数值模拟分析；刘华坪等利用动网格技术对管路中常见的阀门进行了动态数值模拟；HuangandKim使用三维数值模拟技术分析了在蝶阀内部的不可压缩的流体的流动状况，并给出了分析后的速度场图和应力分布图；LinandSchohl分析了CFD在蝶阀领域的应用；黄国权等利用CFD软件FLUENT对中心型蝶阀流场进行数值模拟，定性给出了阀门在不同开度下重要部位的受力情况，比较直观地给出了阀门在不同工况下流道内部的速度分布，得到了涡流的形成过程，及速度对涡流形成及扩展的影响；类似的研究工作还有许多。这些研究对于指导蝶阀的设计、改善其流动状况、减小流动阻力具有非常重要的意义。

    对于大口径蝶阀，由于其在应用时需承受较大的流体压力，其阀板容易产生变形而降低工作可靠性。因此，往往需要设计加强筋增加阀板强度。目前，加强筋的分布形式主要有“＃”形、“◇”形和“//”形三种（图1）。

图1 蝶阀阀板加强筋的三种典型结构

    工程实际应用过程中发现，不同形状加强筋对流经阀门流体流动特性的影响不一样。为揭示其影响的内在规律，利用流体动力学分析软件，以RANS方程为控制方程，采用标准的紊流模型（k-ε模型）和压力耦合方程组的半隐式方法（SIMPLE算法），给出了在100%开度下阀板表面三种典型的筋板分布形式对阀门流动特性的影响规律。

    1 数值计算条件设置

    1.1 控制方程

    选择单相流体的不可压缩三维粘性流动模型，采用不可压缩流动的雷诺方程组与k-ε湍流模型构成封闭的方程组来描述，如式（1）所示。

        （1）

    式中：ρ为密度；为压力；k为湍流动能；ε为湍流动能耗散率；为速度矢量；x_i和x_j为坐标参数；v为湍流粘度；v_t为湍流粘性系数；G_k和G_ε为由平均速度梯度引起的湍流动能及湍流动能耗散率的产生项；c_μ、σ_ε、σ_k、c₁、c₂为常数，在标准k-ε模型中，c_μ＝0.09，σ_ε＝1.3，σ_k＝1.0。

    1.2 计算条件

    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）。连续性方程和动量方程收敛残差标准均为10^-3。进口边界条件为速度进口，进口速度设1.0m/s。出口边界条件定为自由流动，其他边界条件均为固壁；计算中忽略重力对流场的影响；全流场计算定常流动，得到蝶阀内流场的详细分布情况。选取蝶阀及其前后一段管道作为计算域，流动方向为x轴正向。采用非结构网格，将蝶阀阀板及尾迹区域的网格局部加密，以确保网格质量和求解精度。

    2 结果分析

    2.1 阀板无量纲流体阻力比较

    在相同计算条件下，对阀板三种典型的加强筋形状产生的无量纲流体阻力进行比较，如图2所示，数值为正说明产生的是阻力，数值越大则阀板对流体的阻力越大。从计算结果可以看出：三种加强筋导致阀板受到的流体阻力大小不同，阻力从大到小依次为“＃”形、“◇”形和“//”形。进一步从阀板表面压力分布情况以及流体流经阀板后流场的结构和形态改变情况进行深入分析，揭示导致差异的本质原因。

图2 相同条件下不同加强筋形状产生的无量纲流体阻力

    2.2 压力分布情况比较

    图3为三种典型加强筋结构形成的阀板表面三维压力分布云图和截面压力分布云图。

图3 压力分布情况

    对于阀板而言，三种情况形成的高压区基本上集中于阀板前部迎水面处，以中间逐渐向两侧减小，直至阀板背面形成低压区，并且压力达到最小。而对于阀板上的加强筋而言，压力分布形态则有所不同：“//”形加强筋的高压区集中于前端面，低压区集中于后端面；“◇”形加强筋的高压区集中于菱形的前角区域附近，而压力最小值位于菱形上下两侧尖角后侧区域附近；“＃”形加强筋的高压区较为分散，而低压区主要分布于竖直筋条的后缘区域。加强筋上压力分布形态的差异是造成阀门流体阻力不同的根本原因之一。

    2.3 流体速度矢量及流线分布情况比较

    从流体流经三种加强筋形成的速度矢量及流线分布图（图4）可以看出：“//”形加强筋对流体的流动影响最小，流线进过加强筋后流动方向基本上未发生明显的改变，流动分离现象并不明显，流阻较小；“＃”形加强筋对流体的流动影响最大，流线经过加强筋后被截断，并在加强筋内部形成卡门漩涡，对流体阻碍作用最大。而流线经过“◇”形加强筋后会在上下两侧尖角之后形成一定的分离，但是对流体的阻碍作用没有“＃”形加强筋的强烈。

图4 流体速度矢量及流线分布情况

    3 结论

    本文通过数值模拟，研究了阀板在100%开度下其表面三种典型的筋板分布形式对流经阀门流体的流动特性的影响规律。通过对无量纲流体阻力进行比较以及表面压力分布情况和流体速度矢量及流线分布情况等方面的分析。得出在满足阀板强度要求的前提下，采用对称性“//”形筋板分布有利于减少阀门的流体阻力和动力水头损失并且增加流量的结论。