蝶閥三維流場(chǎng)仿真和閥板驅動(dòng)力矩求解
為了實(shí)現對蝶閥開(kāi)度的精確控制，計算流動(dòng)介質(zhì)對閥板轉軸的力矩非常有必要。以空氣作為流動(dòng)介質(zhì)，利用CFD軟件，對某蝶閥隨閥板開(kāi)度連續變化的流場(chǎng)進(jìn)行了模擬仿真，研究了閥板處于不同開(kāi)度時(shí)的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布規律，并得到了閥板氣動(dòng)力矩特性曲線(xiàn)。發(fā)現氣流繞過(guò)閥板邊緣時(shí)發(fā)生邊界分離，閥板背面產(chǎn)生渦旋；隨著(zhù)閥門(mén)開(kāi)度變大，力矩呈現單調遞增的規律，在閥板開(kāi)度為70°左右時(shí)閥板兩側面對閥板軸的合力矩達到最大，之后力矩開(kāi)始單調遞減，開(kāi)度為90°時(shí)合力矩接近零。
蝶閥作為一種用來(lái)實(shí)現管路系統通斷及流量控制的部件，廣泛應用于石油、化工、給水排水以及能源等系統管路上，適用氣體、液體、半流體和固體粉末等。圖1所示為某蝶閥的結構示意圖。圓形閥板安裝于管道的直徑方向，作為啟閉件隨著(zhù)閥板軸轉動(dòng)來(lái)實(shí)現對閥門(mén)的開(kāi)度控制。閥板在任意角度時(shí)，閥板兩側承受了流體的分布壓強，其合力形成了對閥板的作用力矩。隨閥板角度不同，壓強分布隨之變動(dòng)，于是作用力矩也就變動(dòng)。因此，閥板的壓強分布及閥板上的作用力矩研究，對蝶閥實(shí)現流體流量控制有著(zhù)重要的意義。
圖1 蝶閥結構示意圖
目前，不少學(xué)者對蝶閥及其他結構閥門(mén)的流動(dòng)特性進(jìn)行了相關(guān)研究。Naseradinmousavi和Nataraj建立了蝶閥的高精度模型，并分析了以電磁驅動(dòng)的蝶閥閥門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程，結果表明水動(dòng)力矩在閥門(mén)啟閉過(guò)程中有很重要的作用；Leutwyler和Dalton研究了可壓縮流體在對稱(chēng)蝶閥中的壓力及力矩特性；He等對閥門(mén)內流道中的三維復雜湍流流動(dòng)的數值模擬作了深入研究；Song等利用基于有限元法(finite element method，FEM)計算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)軟件，提出了一種復雜結構的蝶閥的新工藝；Park和Song用數值方法研究了中心對稱(chēng)蝶閥的三維流動(dòng)特性；Chern和Wang運用CFD軟件STAR-CD分析了球閥中流動(dòng)流場(chǎng)，通過(guò)模擬仿真得出了球閥的相關(guān)系數。上述的這些研究在流動(dòng)計算方法上都對本文有一定的參考價(jià)值，但均未涉及流動(dòng)壓力分布與閥板氣動(dòng)力矩關(guān)系的探討。
筆者以某燃氣設備進(jìn)氣道上標準蝶閥為研究對象，以對蝶閥的開(kāi)度控制為出發(fā)點(diǎn)，對其進(jìn)行流場(chǎng)流動(dòng)數值模擬，探討分析蝶閥壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)等內部流場(chǎng)隨閥板開(kāi)度變化的分布規律以及渦旋產(chǎn)生的原因，得出閥板的驅動(dòng)力矩特性。
1、網(wǎng)格劃分及邊界條件設置
網(wǎng)格是CFD模型的幾何表達式，也是模擬與分析的載體，網(wǎng)格質(zhì)量對CFD計算精度和計算效率有重要影響；邊界條件是在流體運動(dòng)求解域邊界上控制方程應該滿(mǎn)足的條件，是數值計算中非常重要的影響因素。
1.1、流場(chǎng)區域網(wǎng)格模型建立
本文采用標準蝶閥為研究對象，其直徑D=2m，管道長(cháng)度L=10D。為了能更好地查看閥板附近的流場(chǎng)，將整個(gè)CFD 模型劃分為閥體和管道兩部分。網(wǎng)格劃分分別為：閥板附近的閥體流動(dòng)空間局部采用四面體非結構網(wǎng)格；進(jìn)出管道采用六面體結構網(wǎng)格。網(wǎng)格大小為1mm。圖2為閥板開(kāi)度為40°時(shí)的網(wǎng)格模型，網(wǎng)格總數量約為1.3×105。其他角度的網(wǎng)格模型與之類(lèi)似，只是網(wǎng)格數量略有不同。
圖2 閥門(mén)開(kāi)度為40°時(shí)的網(wǎng)格模型
結論
1)通過(guò)對蝶閥進(jìn)行三維可視化模擬仿真，得出氣流在通過(guò)閥板時(shí)，由于鈍體繞流作用，氣流繞過(guò)閥板邊緣后發(fā)生邊界層分離，使閥板背面產(chǎn)生渦旋，從而產(chǎn)生負壓，并且隨著(zhù)閥門(mén)開(kāi)度增加，氣流速度改變減小，渦旋減弱，負壓區域也隨之變的均勻，氣流最大速度出現在氣流穿過(guò)閥板時(shí)的閥板背面。
2)根據對閥門(mén)的氣動(dòng)力矩的研究，得出在蝶閥開(kāi)啟過(guò)程中，隨著(zhù)閥板開(kāi)度的增大，氣動(dòng)合力矩逐漸減增加，直到閥板偏轉到70°左右時(shí)，合力矩達到最大值，隨著(zhù)閥板開(kāi)度繼續增大，閥門(mén)所受合力矩開(kāi)始減小直至閥板偏轉至90°時(shí)，閥板兩側受到氣流對閥板軸力矩作用大小相等，方向相反，合力矩接近為零。
