中心型蝶閥流場(chǎng)的數值模擬研究
利用CFD軟件FLUENT對中心型蝶閥流場(chǎng)進(jìn)行數值模擬。計算模型采用不可壓縮流動(dòng)的雷諾時(shí)均方程組，紊流模型采用標準模型，離散方程的求解采用壓力耦合方程組的半隱式方法(SIM-PLE算法)。對閥門(mén)在不同開(kāi)度情況下，流場(chǎng)狀況分別進(jìn)行了數值模擬，分別得到速度場(chǎng)，壓力場(chǎng)，速度矢量場(chǎng)。定性的給出了閥門(mén)在不同開(kāi)度下重要部位的受力情況，比較直觀(guān)的給出了閥門(mén)在不同工況下流道內部的速度分布，為分析閥門(mén)內部受沖擊狀況提供了依據。由對閥門(mén)開(kāi)度的不斷變化，得到了渦流的形成過(guò)程，及速度對渦流形成及擴展的影響。
1、前言
蝶閥以其結構簡(jiǎn)單和適合用于大中口徑管道的結構特點(diǎn)，得到了廣泛的應用。應用傳統的閥門(mén)設計方法已經(jīng)很難滿(mǎn)足蝶閥設計生產(chǎn)的需要，在這種情況下數值模擬方法應運而生，它能夠從更深層次對蝶閥的內部流場(chǎng)狀況進(jìn)行模擬，將流體力學(xué)的相關(guān)理論真正應用到蝶閥設計過(guò)程中去，對蝶閥設計制造具有深遠的意義。即是利用數值模擬軟件FLUENT對典型蝶閥的內部流場(chǎng)進(jìn)行數值模擬，從而為蝶閥改進(jìn)設計提供依據。以期對蝶閥的設計制造起到一定的指導作用。
2、N-S方程
黏性流體的運動(dòng)方程的Navier-Stokes方程，簡(jiǎn)稱(chēng)N—S方程。(1)適用于可壓縮黏性流體的運動(dòng)方程如式(1)。(2)理想流體的運動(dòng)方程—Euler方程。若不考慮流體的黏性，則由上式可得理想流體的運動(dòng)方程—Euler方程如式(2)。N—S方程比較準確地描述了實(shí)際的流動(dòng)，黏性流體的流動(dòng)分析均可歸結為對N-S方程的研究。由于其形式甚為復雜，實(shí)際上只有極少情況下可以求出精確解，故產(chǎn)生了通過(guò)數值求解的研究，這也是計算流體力學(xué)進(jìn)行計算的最基本的方程�？梢赃@么說(shuō)，所有的流體流動(dòng)問(wèn)題，都是圍繞對N—S方程的求解進(jìn)行的。
(1) 
(2) 3、中心型蝶閥
蝶閥是用隨閥桿轉動(dòng)的圓形板件作啟閉件，往復回轉90°左右來(lái)開(kāi)啟，關(guān)閉和調節流體通道的一種閥門(mén)。蝶閥主要用作截斷閥，亦可設計成具有調節或截斷兼調節的功能。目前蝶閥在低壓大中口徑管道上的使用越來(lái)越多。中心型蝶閥三維模型圖，如圖1所示。
圖1 中心型蝶閥三維模型
4、中心型蝶閥流場(chǎng)的數值模擬
以典型中心型蝶閥DN1000為例，為保證流場(chǎng)的穩定性，取蝶閥及其前部管道L1=5D(D為管道直徑)與其后部管道L2=10D一同作為計算域。網(wǎng)格劃分采用了非結構混合網(wǎng)格技術(shù)，利用FLUNENT軟件包中的前處理軟件GAMBIT強大的網(wǎng)格劃分功能，采用自適應的網(wǎng)格技術(shù)對流場(chǎng)進(jìn)行調整，使其模擬出更加精細的流動(dòng)。采用不可壓縮流動(dòng)的雷諾時(shí)均方程組，湍流模型采用標準k-ε模型;所有方程中的對流項均用二階迎風(fēng)格式離散，離散方程的求解采用壓力耦合方程組的半隱式方法(SIMPLE算法)，所有方程中的對流項均用二階格式離散，所有方程的熟練殘差均為0.0001，全流場(chǎng)計算了定常流動(dòng)，得到了閥內流場(chǎng)的詳細分布情況。利用GAMBIT建立計算模型。面的網(wǎng)格劃分情況，如圖2所示。利用Gambit建立閥門(mén)不同開(kāi)度情況下的計算區域，閥轉過(guò)了相應的角度即可。
圖2 閥板附近的網(wǎng)格劃分情況
利用FLUENT求解器求解。為了研究閥門(mén)的流場(chǎng)特性，按照閥門(mén)開(kāi)度為100%，60%和45%的3種典型工況，將入口速度設置為1，模擬閥門(mén)全開(kāi)，較大開(kāi)度，半開(kāi)3種典型狀態(tài)，進(jìn)行比較分析。
4.1、閥門(mén)全開(kāi)時(shí)流場(chǎng)模擬結果分析
閥門(mén)全開(kāi)，流速1m/s時(shí)壓力模擬結果，如圖3所示。
圖3 流速1m/s時(shí)壓力圖
閥門(mén)全開(kāi)，流速1m/s時(shí)流場(chǎng)流速模擬結果，如圖4所示。閥門(mén)全開(kāi)，流速1m/s時(shí)流場(chǎng)速度矢量模擬結果，如圖5所示。閥門(mén)100%開(kāi)度，水流速度1m/s時(shí)流場(chǎng)特性分析。
(1)從壓力圖3可知，整個(gè)閥板和閥壁受力狀況良好，受力較均勻，只是在閥板端部小區域內形成局部高壓區，對閥板前部形成一定的沖擊，但考慮到這種沖擊發(fā)生在閥板的大尺寸方向，且上下對稱(chēng)，因此對蝶閥整體的影響不大。(2)從速度圖4可知，流速的上下對稱(chēng)性較好，速度梯度比較溫和，流速過(guò)度區域比較大。在閥板前端和后端形成的低速區亦在我們的意料之中，和實(shí)踐的情況也較吻合，說(shuō)明模擬結果可信度較高。(3)從速度矢量圖5可知，整個(gè)流場(chǎng)基本以層流為主，整體看流場(chǎng)狀況較為平穩�？傮w來(lái)看，蝶閥全開(kāi)時(shí)，流速分布較均勻，整個(gè)流態(tài)相當平穩。
圖4 流速1m/s時(shí)速度圖
圖5 流速1m/s時(shí)速度矢量圖
4.2、閥門(mén)60%開(kāi)度時(shí)流場(chǎng)模擬結果分析
閥門(mén)60%開(kāi)度，流速1m/s時(shí)流場(chǎng)壓力模擬結果，如圖6所示。
圖6 流速1m/s時(shí)壓力圖
閥門(mén)60%開(kāi)度，流速1m/s時(shí)流場(chǎng)速度模擬結果，如圖7所示。閥門(mén)60%開(kāi)度，流速1m/s時(shí)流場(chǎng)速度矢量模擬結果，如圖8所示。閥門(mén)60%開(kāi)度，水流速度1m/s時(shí)流場(chǎng)特性分析。
圖7 流速1m/s時(shí)速度圖
圖8 流速1m/s時(shí)速度矢量圖
(1)從壓力圖6可知，閥板總體呈現前高壓，后低壓的狀況，同時(shí)后部的低壓區較為均勻，梯度不大，相比較前部的高壓區又呈現出明顯的上部低壓，下部高壓的特點(diǎn)，使得閥板的受力無(wú)論前后，還是上下都出現不對稱(chēng)的情況，不過(guò)由于此時(shí)的壓力梯度并不太大，所以閥板雖然受力較復雜，但不會(huì )產(chǎn)生較為嚴重的問(wèn)題。(2)從速度圖7可知，閥板上下過(guò)流區域的流速過(guò)大，會(huì )對附近的管壁
造成一定的沖擊。閥板后部的層狀低速區則清晰可見(jiàn)。(3)速度矢量圖8可知，流場(chǎng)仍以層流為主，未見(jiàn)明顯異常。
4.3、閥門(mén)45%開(kāi)度時(shí)流場(chǎng)模擬結果分析
閥門(mén)45%開(kāi)度，流速1m/s時(shí)流場(chǎng)壓力模擬結果，如圖9所示。
圖9 流速1m/s時(shí)壓力圖
閥門(mén)45%開(kāi)度，流速1m/s時(shí)流場(chǎng)速度模擬結果，如圖10所示。
圖10 流速1m/s時(shí)速度圖
閥門(mén)45%開(kāi)度，流速1m/s時(shí)流場(chǎng)速度矢量模擬結果，如圖11所示。
圖11 流速1m/s時(shí)速度矢量圖
閥門(mén)45%開(kāi)度，水流速度1m/s時(shí)流場(chǎng)特性分析。
(1)從壓力圖9上可知，以閥板為界，前面和后面分為典型的高壓區和低壓區，閥板的單面受力狀況相對較簡(jiǎn)單，但由于前面和后面的壓差較大，造成此時(shí)閥板整體的受力環(huán)境比較惡劣。(2)從速度圖10可知，閥板兩端過(guò)流區的流速較大，速度梯度也較大，對管壁形成一定的沖擊，由于蝶閥背面存在局部低壓區，從蝶閥上方越過(guò)的流體部分折向下流，從蝶閥下方流過(guò)的流體部分折向上流，在閥板背面靠下部分形成旋渦。(3)從速度矢量圖11可知，渦流區依稀可見(jiàn)。
5、結論
通過(guò)分析模擬結果，可以得出以下幾點(diǎn)結論：(1)閥門(mén)全開(kāi)時(shí)或者是開(kāi)度較大時(shí)過(guò)流狀況較好，主要表現在整體的速度梯度較小，無(wú)論對閥板還是管壁的沖擊都較小，從其速度矢量場(chǎng)則可以看出此時(shí)整個(gè)流場(chǎng)以層流為主，流場(chǎng)狀況較簡(jiǎn)單。(2)隨著(zhù)閥門(mén)開(kāi)度的減小，首先是在閥板后部形成低壓區，隨著(zhù)閥門(mén)開(kāi)度的進(jìn)一步減小，閥板邊緣過(guò)流區的速度梯度明顯增大，同時(shí)在閥門(mén)45%開(kāi)度左右在閥板背部開(kāi)始形成清晰可見(jiàn)的渦流區，使閥門(mén)內部的流場(chǎng)狀況開(kāi)始變的不穩定。
