蝶阀流固耦合计算与分析

　　利用ANSYS 软件计算和分析了蝶阀的流场及其结构，给出了蝶板的受力集中区域，并作了相应改进和优化设计。

1、概述

　　随着蝶阀技术的进步和使用范围的扩大，基于使用经验设计蝶阀已不能满足设计要求。数值计算技术的发展和流固耦合理论(用于研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响交互作用) 的不断成熟，为解决实际的工程问题提供了平台。本文采用ANSYS 进行蝶阀流固耦合计算，利用ANSYS Fluent 计算蝶阀的流场，研究流场结构，应用ANSYS 进行蝶板受力分析，对受力集中区域进行改进，优化蝶板结构设计。

2、理论分析

　　2.1、流场计算

　　粘性流体流动的控制方程为质量守恒方程和动量守恒方程，以有限体积表达形式描述的流体动力学输运方程为

　　流场计算采用全隐式求解，湍流模型选择标准模型。

　　2.2、结构动力学方程

　　瞬态动力学分析是用于确定承受任意的随时间变化载荷的结构动力学响应的一种方法，其基本运动方程为

　　对流体和固体的耦合面，由于表面所受流体施加的剪应力量值非常小，且结构本身对剪应力反应不敏感，因此真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为可以忽略剪应力影响，而只考虑垂直于表面的流体压力作用。值得注意的是，流体阻尼包含在方程的右边项中，不包括在阻尼矩阵C 中。

　　2.3、网格和边界条件

　　蝶阀( 图1) 数值计算时应对蝶阀区域进行延长。应用三维计算流体动力学(Computational FluidDynamics - CFD) 计算时，蝶阀前后延长段分别为5D 和10D( D———特征长度，取管道内径) 。以蝶阀开启45°进行计算。由于蝶阀的对称性，只对计算区域的一半进行建模。网格采用ANSYS 软件的自动网格，增加边界层网格和蝶阀区域局部加密网格，并且在计算中自适应网格(图2) 。流场计算的入口给定流速，出口给定压力，中间面采用对称边界条件，管壁面和蝶板表面取无滑移边界条件，其他采用Fluent 的默认值或推荐值。流固交界面为蝶板的表面，流场计算的压力作为面载荷施加到蝶板表面。阀杆的两端采用圆周固定边界条件。

图1 蝶阀

图2 蝶阀流场计算网格

3、结语

　　将蝶板与阀杆连接处加厚，使蝶板最大变形降低了约13%，等效应力降低了约9%。流固耦合计算可发现原设计的弱点，并进行相应的改进，为阀门的设计优化提供了方便。