大口径蝶阀内部流场计算及其改进

　　针对某阀门公司的DN3400蝶阀，采用计算流体动力学(CFD)的方法，对阀门过流区域内的流场和压力场进行计算，得出所关注的既定形状阀门的流量系数和压力损失系数，为工程设计提供依据。为实现流量系数和压力损失系数的最大利益化，特对蝶板外形进行了修改，并对此修改的外形开展同样的计算。阀门修改前后流场计算结果的比较，可为进一步的工程优化设计提供有益的参考。

　　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Gk为湍流动能，ε为湍流动能耗散率，σk和σε分别为k和ε的Prandtl数，

　　其中S为平均应变速度张量的模量，μt为湍流黏度，

　　模型中的各常数取值如下：

C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σε=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。