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技術(shù)文章
大口徑蝶閥內(nèi)部流場(chǎng)計(jì)算及其改進(jìn)
閱讀：1791 發(fā)布時(shí)間：2014-10-29對(duì)于大型輸水工程中的蝶閥來(lái)說(shuō)，其主要特點(diǎn)在于口徑大、流量大。為降低輸水過(guò)程中的能量損耗，提高輸水效率，必須設(shè)法降低蝶閥的壓力損失，提高流量系數(shù)。
1 計(jì)算模型
1.1 幾何建模
首先采用Solidworks軟件對(duì)蝶板進(jìn)行了三維造型（見(jiàn)圖1）。蝶板底部直徑為3.4m。蝶板上部設(shè)計(jì)為拱形結(jié)構(gòu)，拱形內(nèi)部設(shè)計(jì)有若干格柵以提高水的過(guò)流面積。拱形兩側(cè)各有一個(gè)凸臺(tái)用于安裝蝶板的轉(zhuǎn)軸。
圖1 原型蝶板的三維造型
初步分析認(rèn)為，拱形兩側(cè)的凸臺(tái)可能會(huì)引起流動(dòng)的紊亂，因此將其改造成流線型，其三維造型見(jiàn)圖2。
圖2 改進(jìn)型蝶板的三維造型
1.2 計(jì)算建模
計(jì)算模型采用三維N-S方程及標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。其主控制方程為：
式（1）中，Q為守恒變矢量；f，g，h分別為3個(gè)坐標(biāo)方向的通量，分別表示為式（2）~式（5）：
其中應(yīng)力項(xiàng)為第2頁(yè)式（6）。
采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行求解，具體方程見(jiàn)第2頁(yè)式（7）和式（8）。式（7）和式（8）中Gk為湍流動(dòng)能，ε為湍流動(dòng)能耗散率，σk和σε分別為k和ε的Prandtl數(shù)，
（6）
（7）
（8）
（9）
其中S為平均應(yīng)變速度張量的模量，μt為湍流黏度，
（10）
模型中的各常數(shù)取值如下：
C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3。（11）
計(jì)算條件：流動(dòng)入口速度5m/s，入口壓力100kPa。
2 計(jì)算結(jié)果及分析
按閥前入口流速5m/s、入口壓力100kPa計(jì)算，采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)獲得了蝶板動(dòng)態(tài)過(guò)程中的流場(chǎng)變化（見(jiàn)圖3）。
圖3 閥門開(kāi)啟過(guò)程流態(tài)變化
計(jì)算也給出了改進(jìn)前后兩種蝶板在水平（即全開(kāi)）狀態(tài)下的繞流流線圖和壓力云圖（見(jiàn)圖4、圖5，第3頁(yè)圖6、圖7）。從流線圖可以看出，原型閥門蝶板附近的流動(dòng)比較紊亂，而改進(jìn)后的流動(dòng)則較為光順。反映到壓力上，從壓力云圖可以看出，改進(jìn)前后的壓力梯度具有明顯不同。原型蝶板在兩側(cè)凸臺(tái)和外側(cè)筋板上有明顯的壓力集中，容易造成結(jié)構(gòu)損壞，而改進(jìn)后蝶板的壓力分布則較為均勻。
圖4 原型蝶板流線（速度量）
圖5 改進(jìn)型蝶板流線（速度量）
圖6 原型蝶板壓力云（表壓）
圖7 改進(jìn)型蝶板壓力云（表壓）
從計(jì)算結(jié)果看，改進(jìn)后的蝶板具有“大流量系數(shù)、小壓力損失”的明顯優(yōu)點(diǎn)。
更具有工程實(shí)際意義的數(shù)據(jù)是流量系數(shù)和壓力損失系數(shù)，本文的計(jì)算也分別給出了改進(jìn)前后的相關(guān)結(jié)果（見(jiàn)表1）。
表1 蝶板改進(jìn)前后的壓力系數(shù)和流量系數(shù)
從表1的計(jì)算結(jié)果可以看出，改進(jìn)后蝶板的阻力降低約30%，壓差降低9%，壓力損失系數(shù)降低約9%，而流量系數(shù)則增加了5%。
3 經(jīng)濟(jì)性分析
該蝶閥閥板采用鑄造工藝成型。改進(jìn)后材料費(fèi)增加約5%，加工工藝沒(méi)有太大的變化，總的制造成本略有增加。但改進(jìn)后的閥門因具有流線形的兩側(cè)凸臺(tái)，其結(jié)合部位的應(yīng)力集中情況得到很大改善，在大載荷工況下不易發(fā)生破壞，使得閥門故障率明顯降低，壽命則明顯延長(zhǎng)；而且降低了輸水過(guò)程中的能量損耗，提高了工作效率。相比較而言，制造成本的增加*可以忽略不計(jì)。