1 概述

    傳統(tǒng)的閥門設(shè)計(jì)方法主要依據(jù)建立在一元流理論基礎(chǔ)上的半經(jīng)驗(yàn)公式與工程設(shè)計(jì)手冊(cè)和圖表，其中的各種經(jīng)驗(yàn)常數(shù)和修正系數(shù)是通過(guò)大量試驗(yàn)獲取的。傳統(tǒng)方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)便可靠，缺點(diǎn)是適用范圍受資料來(lái)源的限制。閥門類產(chǎn)品種類繁多，改型也較容易，隨著工程技術(shù)的迅速發(fā)展，新的品種、新的設(shè)計(jì)在不斷推出。然而，用傳統(tǒng)方法建立一套作為設(shè)計(jì)依據(jù)的參考資料需要大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，投入高，周期長(zhǎng)。因此，大多數(shù)情況下，在設(shè)計(jì)新產(chǎn)品時(shí)，設(shè)計(jì)人員只能參照以往幾種常規(guī)品種的資料，憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推測(cè)。以蝶閥為例，在現(xiàn)有的設(shè)計(jì)手冊(cè)等參考資料上提供的只有傳統(tǒng)的對(duì)稱蝶閥的數(shù)據(jù)，很難找到偏心蝶閥的相關(guān)資料。這給設(shè)計(jì)工作帶來(lái)很大困難，限制了產(chǎn)品質(zhì)量的提高。計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法以其強(qiáng)大的數(shù)值模擬功能為解決這一問(wèn)題提供了新途徑。

    2 計(jì)算流體力學(xué)方法

    通過(guò)數(shù)值模擬不但能取得產(chǎn)品設(shè)計(jì)所需的流動(dòng)特性參數(shù)，而且還可以掌握流場(chǎng)內(nèi)部的詳細(xì)情況，如壓力、速度和溫度分布、流動(dòng)分離狀態(tài)及氣蝕可能發(fā)生的部位等。與實(shí)驗(yàn)方法相比，CFD數(shù)值模擬具有成本低、周期短和提供信息充分等優(yōu)勢(shì)。CFD方法及其應(yīng)用軟件早已在飛機(jī)和汽輪機(jī)等高技術(shù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用，說(shuō)明其模擬的精確度與可靠性完全能滿足工程設(shè)計(jì)的要求。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)展趨勢(shì)顯示，對(duì)于閥門和其他流體機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作都將以計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬為主，實(shí)驗(yàn)測(cè)試為輔的方式進(jìn)行。

    本文運(yùn)用CFD應(yīng)用軟件FLUENT對(duì)一種偏心蝶閥的三維流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過(guò)對(duì)一系列開(kāi)度下的各種工況的模擬得到了該蝶閥的水力特性曲線，并直觀地顯示出各種狀態(tài)下閥門通道內(nèi)部的速度壓力分布和旋渦分布情況，由此進(jìn)一步分析該蝶閥的特性。

    3 閥門管道結(jié)構(gòu)和計(jì)算方法

    3.1 控制方程

    將蝶閥內(nèi)部流動(dòng)介質(zhì)設(shè)定為水，則流動(dòng)模型為不可壓縮三維粘性流動(dòng)，可以用不可壓縮流動(dòng)的雷諾時(shí)均方程組與k-ε湍流模型構(gòu)成封閉的方程組來(lái)求解。

    （1）連續(xù)性方程

    （2）動(dòng)量方程組

    （3）湍流動(dòng)能是的輸運(yùn)方程

    （4）湍流耗散率ε的輸運(yùn)方程

    其中

    方程中各常數(shù)值可查表求得。σ_k= 1.0，σ_ε=1.3，c₁= 1.44，c₂= 1.92，c_μ= 0.09。

    3.2 閥門通道結(jié)構(gòu)及邊界條件

    以單偏心蝶板在45°開(kāi)度下的情況為例。取蝶閥前后一段管道作為模擬計(jì)算的求解域，（圖1）。

    該管道通徑為400mm，閥體前的長(zhǎng)度為800mm，閥體后的長(zhǎng)度為1600mm，取閥體后長(zhǎng)度較長(zhǎng)是由于管道內(nèi)流體流動(dòng)在閥體后比較復(fù)雜。

    3.3 網(wǎng)格劃分

    網(wǎng)格劃分采用了非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。運(yùn)用FLU-ENT軟件包中的前處理軟件GAMBIT強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能，保證了網(wǎng)格的質(zhì)量。為了提高求解精度，將蝶板和密封圈周圍的網(wǎng)格局部加密，網(wǎng)格總數(shù)達(dá)60萬(wàn)左右（圖2）。

    4 蝶閥流道的流場(chǎng)特性

    4.1 流量特性曲線

    蝶閥流量特性曲線如圖3和圖4所示。其中運(yùn)用Fluent軟件計(jì)算的普通蝶閥（軸位不偏移）的流量曲線與相關(guān)資料提供的普通蝶閥的流量特性曲線相似，說(shuō)明計(jì)算結(jié)果可用。

    根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析，該偏心蝶閥的流量隨著進(jìn)出口壓差的變化趨勢(shì)與普通蝶閥一致。但在相同壓差條件下，偏心蝶閥的流量比普通蝶閥的流量要小一些。因?yàn)�，蝶閥偏轉(zhuǎn)后，普通蝶閥蝶板離上下管壁距離相等，而單偏心蝶閥蝶板離上管壁距離較下管壁大，造成上下壓力與流通面積都與普通蝶閥不等，從而加強(qiáng)了閥后的旋渦流動(dòng)， 因而其流量要比不偏心時(shí)的要小一些。

    4.2 水動(dòng)力矩特性曲線

    偏心蝶閥水動(dòng)力矩特性曲線如圖5所示。由圖可見(jiàn)，水動(dòng)力矩隨壓差的增大而增大，壓降-水動(dòng)力矩特性顯示了極好的線性度，壓降與水動(dòng)力矩關(guān)系可表示為

    M=CΔP

    式中：
    M－－水動(dòng)力矩，N·m 
    ΔP－－壓降，MPa
    C－－與開(kāi)度相關(guān)的常數(shù)

    這與普通蝶閥流體動(dòng)力扭矩的經(jīng)驗(yàn)公式的規(guī)律一致。經(jīng)驗(yàn)公式為

    T=KΔPD³d² （α≤60°）

    式中：
    T－－扭矩.N·rn
    K－－系數(shù)
    D－－蝶板直徑，mm
    α－－從關(guān)閉位置計(jì)算的轉(zhuǎn)角，（°）

    4.3 閥門流道內(nèi)流場(chǎng)分布

    以蝶板開(kāi)度為45°，進(jìn)口總壓為0.3MPa的情況為例，對(duì)閥門管道內(nèi)部的流動(dòng)特性分布情況等進(jìn)行分析說(shuō)明。

    圖6（a）和（b）分別是對(duì)稱截面，即X-Z坐標(biāo)平面的速度和壓力分布等值線圖。圖上顯示通道進(jìn)口和出口處的速度和壓力分布較均勻，并且速度較低。在6_~7m/s附近，水流在接近蝶板前端時(shí)速度逐步滯止，壓力升到。繞過(guò)端部到蝶板背側(cè)時(shí)迅速加速，局部地區(qū)速度值達(dá)到20_~28m/s，壓力隨之下降形成低壓區(qū)。蝶板前后壓差很大，流道的壓降基本上都用于克服蝶閥前后的壓差阻力。

    圖7（a）為X-Z截面的流線圖， 由于流動(dòng)上下對(duì)稱（略去重力影響），此截面是個(gè)流面。在中等開(kāi)度時(shí)，此面上沒(méi)有回流產(chǎn)生，流體主要是通過(guò)蝶板與管壁相距較大的一側(cè)流向下游。圖7（b）為Y-Z截面流線圖，從圖中可以看出，水流繞過(guò)蝶板邊緣后發(fā)生分離，在對(duì)稱面的上、下方形成兩個(gè)相似的分離渦區(qū)。分離區(qū)是壓力較均勻的低壓區(qū)，流體的機(jī)械能主要被這些旋渦消耗。旋渦在往下游發(fā)展的過(guò)程逐漸減弱，流動(dòng)逐步趨向均勻。

    4.4 不同開(kāi)度下的特性曲線

    圖8為由數(shù)值計(jì)算得到的偏心蝶閥在不同開(kāi)度下的流量特性曲線。在對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，不同開(kāi)度下的每條流量特性曲線都是直線，而且相互接近平行。這個(gè)特性和文獻(xiàn)[3]所提供的普通蝶閥的特性相一致。

    圖9為偏心蝶閥在不同開(kāi)度下的水動(dòng)力矩特性曲線。該曲線顯示，各個(gè)開(kāi)度下的水動(dòng)力矩與壓降都成很好的線性關(guān)系。對(duì)于≤75°的各種開(kāi)度，水動(dòng)力矩都為正值，蝶閥開(kāi)度越大，水動(dòng)力矩也越大。但開(kāi)度為90°時(shí)，水動(dòng)力矩為負(fù)值，這是偏心閥的特有現(xiàn)象。如圖10所示，來(lái)流速度在閥的上游端部的一側(cè)滯止，形成局部高壓區(qū)，與端部另一側(cè)的低壓構(gòu)成很強(qiáng)的扭轉(zhuǎn)力矩。在大多數(shù)開(kāi)度下，速度滯止點(diǎn)在閥的內(nèi)側(cè)（凹面）， 但接近90°時(shí)，轉(zhuǎn)移到閥的背側(cè)（凸面），從而引起轉(zhuǎn)動(dòng)力矩反向。可見(jiàn)，水動(dòng)力矩應(yīng)在75°~90°間某一開(kāi)度達(dá)到，然后下降為負(fù)值。

    5 結(jié)語(yǔ)

    通過(guò)運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法對(duì)偏心蝶閥的水力特性進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到偏心蝶閥的特性曲線以及閥門通道內(nèi)三維流動(dòng)的詳細(xì)情況，顯示了CFD方法用于閥門設(shè)計(jì)的可行性。CFD的優(yōu)勢(shì)尤其表現(xiàn)在新產(chǎn)品的研制開(kāi)發(fā)中，它不但能大幅度取代常規(guī)實(shí)驗(yàn)提供各種流動(dòng)特性參數(shù)，而且能通過(guò)揭示流場(chǎng)三維分布形態(tài)為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供詳細(xì)依據(jù)。此外，對(duì)于常規(guī)實(shí)驗(yàn)無(wú)法處理的復(fù)雜現(xiàn)象，如空化、水擊等， 也可以用CFD方法進(jìn)行模擬。CFD方法的應(yīng)用必將大大提高閥門設(shè)計(jì)的技術(shù)含量與產(chǎn)品質(zhì)量。

原創(chuàng)作者：浙江金鋒自動(dòng)化儀表有限公司