蝶阀三维流场仿真和阀板驱动力矩求解

　　为了实现对蝶阀开度的精确控制，计算流动介质对阀板转轴的力矩非常有必要。以空气作为流动介质，利用CFD软件，对某蝶阀随阀板开度连续变化的流场进行了模拟仿真，研究了阀板处于不同开度时的速度场和压力场分布规律，并得到了阀板气动力矩特性曲线。发现气流绕过阀板边缘时发生边界分离，阀板背面产生涡旋；随着阀门开度变大，力矩呈现单调递增的规律，在阀板开度为70°左右时阀板两侧面对阀板轴的合力矩达到最大，之后力矩开始单调递减，开度为90°时合力矩接近零。

　　蝶阀作为一种用来实现管路系统通断及流量控制的部件，广泛应用于石油、化工、给水排水以及能源等系统管路上，适用气体、液体、半流体和固体粉末等。图1所示为某蝶阀的结构示意图。圆形阀板安装于管道的直径方向，作为启闭件随着阀板轴转动来实现对阀门的开度控制。阀板在任意角度时，阀板两侧承受了流体的分布压强，其合力形成了对阀板的作用力矩。随阀板角度不同，压强分布随之变动，于是作用力矩也就变动。因此，阀板的压强分布及阀板上的作用力矩研究，对蝶阀实现流体流量控制有着重要的意义。

图1　蝶阀结构示意图

　　目前，不少学者对蝶阀及其他结构阀门的流动特性进行了相关研究。Naseradinmousavi和Nataraj建立了蝶阀的高精度模型，并分析了以电磁驱动的蝶阀阀门开启和关闭过程，结果表明水动力矩在阀门启闭过程中有很重要的作用；Leutwyler和Dalton研究了可压缩流体在对称蝶阀中的压力及力矩特性；He等对阀门内流道中的三维复杂湍流流动的数值模拟作了深入研究；Song等利用基于有限元法(finite　element　method，FEM)计算流体动力学(computational　fluid　dynamics，CFD)软件，提出了一种复杂结构的蝶阀的新工艺；Park和Song用数值方法研究了中心对称蝶阀的三维流动特性；Chern和Wang运用CFD软件STAR-CD分析了球阀中流动流场，通过模拟仿真得出了球阀的相关系数。上述的这些研究在流动计算方法上都对本文有一定的参考价值，但均未涉及流动压力分布与阀板气动力矩关系的探讨。

　　笔者以某燃气设备进气道上标准蝶阀为研究对象，以对蝶阀的开度控制为出发点，对其进行流场流动数值模拟，探讨分析蝶阀压力场、速度场等内部流场随阀板开度变化的分布规律以及涡旋产生的原因，得出阀板的驱动力矩特性。

1、网格划分及边界条件设置

　　网格是CFD模型的几何表达式，也是模拟与分析的载体，网格质量对CFD计算精度和计算效率有重要影响；边界条件是在流体运动求解域边界上控制方程应该满足的条件，是数值计算中非常重要的影响因素。

　　1.1、流场区域网格模型建立

　　本文采用标准蝶阀为研究对象，其直径D=2m，管道长度L=10D。为了能更好地查看阀板附近的流场，将整个CFD 模型划分为阀体和管道两部分。网格划分分别为：阀板附近的阀体流动空间局部采用四面体非结构网格；进出管道采用六面体结构网格。网格大小为1mm。图2为阀板开度为40°时的网格模型，网格总数量约为1.3×10⁵。其他角度的网格模型与之类似，只是网格数量略有不同。

图2　阀门开度为40°时的网格模型

结论

　　1)通过对蝶阀进行三维可视化模拟仿真，得出气流在通过阀板时，由于钝体绕流作用，气流绕过阀板边缘后发生边界层分离，使阀板背面产生涡旋，从而产生负压，并且随着阀门开度增加，气流速度改变减小，涡旋减弱，负压区域也随之变的均匀，气流最大速度出现在气流穿过阀板时的阀板背面。

　　2)根据对阀门的气动力矩的研究，得出在蝶阀开启过程中，随着阀板开度的增大，气动合力矩逐渐减增加，直到阀板偏转到70°左右时，合力矩达到最大值，随着阀板开度继续增大，阀门所受合力矩开始减小直至阀板偏转至90°时，阀板两侧受到气流对阀板轴力矩作用大小相等，方向相反，合力矩接近为零。