大口径蝶阀内部流场计算及其改进

    对于大型输水工程中的蝶阀来说，其主要特点在于口径大、流量大。为降低输水过程中的能量损耗，提高输水效率，必须设法降低蝶阀的压力损失，提高流量系数。

    1 计算模型

    1.1 几何建模

    首先采用Solidworks软件对蝶板进行了三维造型（见图1）。蝶板底部直径为3.4m。蝶板上部设计为拱形结构，拱形内部设计有若干格栅以提高水的过流面积。拱形两侧各有一个凸台用于安装蝶板的转轴。

图1 原型蝶板的三维造型

    初步分析认为，拱形两侧的凸台可能会引起流动的紊乱，因此将其改造成流线型，其三维造型见图2。

图2 改进型蝶板的三维造型

    1.2 计算建模

    计算模型采用三维N-S方程及标准k-ε湍流模型。其主控制方程为：

    式（1）中，Q为守恒变矢量；f，g，h分别为3个坐标方向的通量，分别表示为式（2）~式（5）：

    其中应力项为第2页式（6）。

    采用标准k-ε模型进行求解，具体方程见第2页式（7）和式（8）。式（7）和式（8）中G_k为湍流动能，ε为湍流动能耗散率，σ_k和σ_ε分别为k和ε的Prandtl数，

        （6）

        （7）

        （8）

        （9）

    其中S为平均应变速度张量的模量，μ_t为湍流黏度，

        （10）

    模型中的各常数取值如下：

    C_1ε=1.44，C_2ε=1.92，C_μ=0.09，σ_k=1.0，σ_ε=1.3。（11）

    计算条件：流动入口速度5m/s，入口压力100kPa。

    2 计算结果及分析

    按阀前入口流速5m/s、入口压力100kPa计算，采用动网格技术获得了蝶板动态过程中的流场变化（见图3）。

图3 阀门开启过程流态变化

    计算也给出了改进前后两种蝶板在水平（即全开）状态下的绕流流线图和压力云图（见图4、图5，第3页图6、图7）。从流线图可以看出，原型阀门蝶板附近的流动比较紊乱，而改进后的流动则较为光顺。反映到压力上，从压力云图可以看出，改进前后的压力梯度具有明显不同。原型蝶板在两侧凸台和外侧筋板上有明显的压力集中，容易造成结构损坏，而改进后蝶板的压力分布则较为均匀。

图4 原型蝶板流线（速度量）

图5 改进型蝶板流线（速度量）

图6 原型蝶板压力云（表压）

图7 改进型蝶板压力云（表压）

    从计算结果看，改进后的蝶板具有“大流量系数、小压力损失”的明显优点。

    更具有工程实际意义的数据是流量系数和压力损失系数，本文的计算也分别给出了改进前后的相关结果（见表1）。

表1 蝶板改进前后的压力系数和流量系数

    从表1的计算结果可以看出，改进后蝶板的阻力降低约30%，压差降低9%，压力损失系数降低约9%，而流量系数则增加了5%。

    3 经济性分析

    该蝶阀阀板采用铸造工艺成型。改进后材料费增加约5%，加工工艺没有太大的变化，总的制造成本略有增加。但改进后的阀门因具有流线形的两侧凸台，其结合部位的应力集中情况得到很大改善，在大载荷工况下不易发生破坏，使得阀门故障率明显降低，寿命则明显延长；而且降低了输水过程中的能量损耗，提高了工作效率。相比较而言，制造成本的增加完全可以忽略不计。