蝶閥流固耦合計算與分析

　　利用ANSYS 軟件計算和分析了蝶閥的流場(chǎng)及其結構，給出了蝶板的受力集中區域，并作了相應改進(jìn)和優(yōu)化設計。

1、概述

　　隨著(zhù)蝶閥技術(shù)的進(jìn)步和使用范圍的擴大，基于使用經(jīng)驗設計蝶閥已不能滿(mǎn)足設計要求。數值計算技術(shù)的發(fā)展和流固耦合理論(用于研究變形固體在流場(chǎng)作用下的各種行為以及固體位形對流場(chǎng)影響交互作用) 的不斷成熟，為解決實(shí)際的工程問(wèn)題提供了平臺。本文采用ANSYS 進(jìn)行蝶閥流固耦合計算，利用ANSYS Fluent 計算蝶閥的流場(chǎng)，研究流場(chǎng)結構，應用ANSYS 進(jìn)行蝶板受力分析，對受力集中區域進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化蝶板結構設計。

2、理論分析

　　2.1、流場(chǎng)計算

　　粘性流體流動(dòng)的控制方程為質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程，以有限體積表達形式描述的流體動(dòng)力學(xué)輸運方程為

　　流場(chǎng)計算采用全隱式求解，湍流模型選擇標準模型。

　　2.2、結構動(dòng)力學(xué)方程

　　瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析是用于確定承受任意的隨時(shí)間變化載荷的結構動(dòng)力學(xué)響應的一種方法，其基本運動(dòng)方程為

　　對流體和固體的耦合面，由于表面所受流體施加的剪應力量值非常小，且結構本身對剪應力反應不敏感，因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為可以忽略剪應力影響，而只考慮垂直于表面的流體壓力作用。值得注意的是，流體阻尼包含在方程的右邊項中，不包括在阻尼矩陣C 中。

　　2.3、網(wǎng)格和邊界條件

　　蝶閥( 圖1) 數值計算時(shí)應對蝶閥區域進(jìn)行延長(cháng)。應用三維計算流體動(dòng)力學(xué)(Computational FluidDynamics - CFD) 計算時(shí)，蝶閥前后延長(cháng)段分別為5D 和10D( D———特征長(cháng)度，取管道內徑) 。以蝶閥開(kāi)啟45°進(jìn)行計算。由于蝶閥的對稱(chēng)性，只對計算區域的一半進(jìn)行建模。網(wǎng)格采用ANSYS 軟件的自動(dòng)網(wǎng)格，增加邊界層網(wǎng)格和蝶閥區域局部加密網(wǎng)格，并且在計算中自適應網(wǎng)格(圖2) 。流場(chǎng)計算的入口給定流速，出口給定壓力，中間面采用對稱(chēng)邊界條件，管壁面和蝶板表面取無(wú)滑移邊界條件，其他采用Fluent 的默認值或推薦值。流固交界面為蝶板的表面，流場(chǎng)計算的壓力作為面載荷施加到蝶板表面。閥桿的兩端采用圓周固定邊界條件。

圖1 蝶閥

圖2 蝶閥流場(chǎng)計算網(wǎng)格

3、結語(yǔ)

　　將蝶板與閥桿連接處加厚，使蝶板最大變形降低了約13%，等效應力降低了約9%。流固耦合計算可發(fā)現原設計的弱點(diǎn)，并進(jìn)行相應的改進(jìn)，為閥門(mén)的設計優(yōu)化提供了方便。