大口徑蝶閥內部流場(chǎng)計算及其改進(jìn)

　　針對某閥門(mén)公司的DN3400蝶閥，采用計算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的方法，對閥門(mén)過(guò)流區域內的流場(chǎng)和壓力場(chǎng)進(jìn)行計算，得出所關(guān)注的既定形狀閥門(mén)的流量系數和壓力損失系數，為工程設計提供依據。為實(shí)現流量系數和壓力損失系數的最大利益化，特對蝶板外形進(jìn)行了修改，并對此修改的外形開(kāi)展同樣的計算。閥門(mén)修改前后流場(chǎng)計算結果的比較，可為進(jìn)一步的工程優(yōu)化設計提供有益的參考。

　　對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，必須設法降低蝶閥的壓力損失，提高流量系數。

1、計算模型

1.1、幾何建模

　　首先采用Solidworks軟件對蝶板進(jìn)行了三維造型(見(jiàn)圖1)。蝶板底部直徑為3.4m。蝶板上部設計為拱形結構，拱形內部設計有若干格柵以提高水的過(guò)流面積。拱形兩側各有一個(gè)凸臺用于安裝蝶板的轉軸。

圖1 原型蝶板的三維造型

　　初步分析認為，拱形兩側的凸臺可能會(huì )引起流動(dòng)的紊亂，因此將其改造成流線(xiàn)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、計算建模

　　計算模型采用三維N-S方程及標準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)坐標方向的通量，分別表示為式(2)~式(5)：

　　其中應力項為第2頁(yè)式(6)。

　　采用標準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，

　　其中S為平均應變速度張量的模量，μt為湍流黏度，

　　模型中的各常數取值如下：

C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3。(11)

　　計算條件：流動(dòng)入口速度5m/s，入口壓力100kPa。

2、計算結果及分析

　　按閥前入口流速5m/s、入口壓力100kPa計算，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(mén)開(kāi)啟過(guò)程流態(tài)變化

　　計算也給出了改進(jìn)前后兩種蝶板在水平(即全開(kāi))狀態(tài)下的繞流流線(xiàn)圖和壓力云圖(見(jiàn)圖4、圖5，第3頁(yè)圖6、圖7)。從流線(xiàn)圖可以看出，原型閥門(mén)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。原型蝶板在兩側凸臺和外側筋板上有明顯的壓力集中，容易造成結構損壞，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(xiàn)(速度量)

圖5 改進(jìn)型蝶板流線(xiàn)(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)

　　從計算結果看，改進(jìn)后的蝶板具有“大流量系數、小壓力損失”的明顯優(yōu)點(diǎn)。

　　更具有工程實(shí)際意義的數據是流量系數和壓力損失系數，本文的計算也分別給出了改進(jìn)前后的相關(guān)結果(見(jiàn)表1)。

表1 蝶板改進(jìn)前后的壓力系數和流量系數

　　從表1的計算結果可以看出，改進(jìn)后蝶板的阻力降低約30%，壓差降低9%，壓力損失系數降低約9%，而流量系數則增加了5%。

3、經(jīng)濟性分析

　　該蝶閥閥板采用鑄造工藝成型。改進(jìn)后材料費增加約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(mén)因具有流線(xiàn)形的兩側凸臺，其結合部位的應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(mén)故障率明顯降低，壽命則明顯延長(cháng);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，制造成本的增加完全可以忽略不計。