加強筋對大口徑中心型蝶閥流動(dòng)特性影響的數值分析
大口徑中心型蝶閥在實(shí)際應用中由于需承受較大水壓作用，其閥板上往往利用筋板增加強度，從而減少閥板變形。利用流體動(dòng)力學(xué)分析軟件，以RANS 方程為控制方程，采用標準的紊流模型(k-ε 模型)和壓力耦合方程組的半隱式方法(SIMPLE 算法)，研究在100%開(kāi)度下閥板表面三種典型筋板分布形式(“﹟”形、“◇“形和“//”形)對流經(jīng)閥門(mén)流體流動(dòng)特性的影響規律。數值計算結果顯示，在滿(mǎn)足閥板強度要求前提下，采用對稱(chēng)性“//“形筋板分布有利于減少閥門(mén)流體阻力和動(dòng)力水頭損失，增加流量。
蝶閥是工業(yè)和農業(yè)領(lǐng)域常見(jiàn)的閥門(mén)，主要起切斷和節流作用。蝶閥啟閉件是一個(gè)圓盤(pán)形的閥板，在閥體內繞自身軸線(xiàn)旋轉，從而達到啟閉或調節的目的。近年來(lái)，隨著(zhù)計算機技術(shù)及計算流體動(dòng)力學(xué)軟件的發(fā)展，越來(lái)越多的人利用數值計算的方法分析蝶閥內部三維流動(dòng)特性，如壓力流速分布、分離流動(dòng)區域等。袁新明等數值模擬研究了閥門(mén)的阻力特性;諸葛偉林等采用基于非結構、非交錯網(wǎng)格的有限體積法求解用兩方程模型封閉的雷諾平均N-S方程組，對蝶閥的三維分離流動(dòng)進(jìn)行了數值模擬，得出蝶閥的流動(dòng)阻力系數隨著(zhù)蝶閥關(guān)閉角度的增大呈指數性增長(cháng)的結論;沈新榮等針對自行開(kāi)發(fā)的一類(lèi)安裝配流板的新型電動(dòng)蝶閥模型，進(jìn)行了三維數值模擬和實(shí)驗研究，對不同開(kāi)度下電動(dòng)蝶閥的三維湍流流動(dòng)進(jìn)行了數值計算;劉健等對大口徑蝶閥運用商用流體計算軟件FLUENT，對其不同開(kāi)度情況下的流場(chǎng)形式進(jìn)行了三維數值模擬分析;劉華坪等利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對管路中常見(jiàn)的閥門(mén)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)數值模擬;HuangandKim使用三維數值模擬技術(shù)分析了在蝶閥內部的不可壓縮的流體的流動(dòng)狀況，并給出了分析后的速度場(chǎng)圖和應力分布圖;LinandSchohl分析了CFD在蝶閥領(lǐng)域的應用;黃國權等利用CFD軟件FLUENT對中心型蝶閥流場(chǎng)進(jìn)行數值模擬，定性給出了閥門(mén)在不同開(kāi)度下重要部位的受力情況，比較直觀(guān)地給出了閥門(mén)在不同工況下流道內部的速度分布，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;類(lèi)似的研究工作還有許多。這些研究對于指導蝶閥的設計、改善其流動(dòng)狀況、減小流動(dòng)阻力具有非常重要的意義。
對于大口徑蝶閥，由于其在應用時(shí)需承受較大的流體壓力，其閥板容易產(chǎn)生變形而降低工作可靠性。因此，往往需要設計加強筋增加閥板強度。目前，加強筋的分布形式主要有“#”形、“◇”形和“//”形三種(圖1)。
圖1 蝶閥閥板加強筋的三種典型結構
工程實(shí)際應用過(guò)程中發(fā)現，不同形狀加強筋對流經(jīng)閥門(mén)流體流動(dòng)特性的影響不一樣。為揭示其影響的內在規律，利用流體動(dòng)力學(xué)分析軟件，以RANS方程為控制方程，采用標準的紊流模型(k-ε模型)和壓力耦合方程組的半隱式方法(SIMPLE算法)，給出了在100%開(kāi)度下閥板表面三種典型的筋板分布形式對閥門(mén)流動(dòng)特性的影響規律。
1、數值計算條件設置
1.1、控制方程
選擇單相流體的不可壓縮三維粘性流動(dòng)模型，采用不可壓縮流動(dòng)的雷諾方程組與k-ε湍流模型構成封閉的方程組來(lái)描述，如式(1)所示。
(1)
式中：ρ為密度; 
為壓力;k為湍流動(dòng)能;ε為湍流動(dòng)能耗散率; 
為速度矢量;xi和xj為坐標參數;v為湍流粘度;vt為湍流粘性系數;Gk和Gε為由平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能及湍流動(dòng)能耗散率的產(chǎn)生項;cμ、σε、σk、c1、c2為常數，在標準k-ε模型中，cμ=0.09，σε=1.3，σk=1.0。
1.2、計算條件
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)。連續性方程和動(dòng)量方程收斂殘差標準均為10-3。進(jìn)口邊界條件為速度進(jìn)口，進(jìn)口速度設1.0m/s。出口邊界條件定為自由流動(dòng)，其他邊界條件均為固壁;計算中忽略重力對流場(chǎng)的影響;全流場(chǎng)計算定常流動(dòng)，得到蝶閥內流場(chǎng)的詳細分布情況。選取蝶閥及其前后一段管道作為計算域，流動(dòng)方向為x軸正向。采用非結構網(wǎng)格，將蝶閥閥板及尾跡區域的網(wǎng)格局部加密，以確保網(wǎng)格質(zhì)量和求解精度。
2、結果分析
2.1、閥板無(wú)量綱流體阻力比較
在相同計算條件下，對閥板三種典型的加強筋形狀產(chǎn)生的無(wú)量綱流體阻力進(jìn)行比較，如圖2所示，數值為正說(shuō)明產(chǎn)生的是阻力，數值越大則閥板對流體的阻力越大。從計算結果可以看出：三種加強筋導致閥板受到的流體阻力大小不同，阻力從大到小依次為“#”形、“◇”形和“//”形。進(jìn)一步從閥板表面壓力分布情況以及流體流經(jīng)閥板后流場(chǎng)的結構和形態(tài)改變情況進(jìn)行深入分析，揭示導致差異的本質(zhì)原因。
圖2 相同條件下不同加強筋形狀產(chǎn)生的無(wú)量綱流體阻力
2.2、壓力分布情況比較
圖3為三種典型加強筋結構形成的閥板表面三維壓力分布云圖和截面壓力分布云圖。
圖3 壓力分布情況
對于閥板而言，三種情況形成的高壓區基本上集中于閥板前部迎水面處，以中間逐漸向兩側減小，直至閥板背面形成低壓區，并且壓力達到最小。而對于閥板上的加強筋而言，壓力分布形態(tài)則有所不同：“//”形加強筋的高壓區集中于前端面，低壓區集中于后端面;“◇”形加強筋的高壓區集中于菱形的前角區域附近，而壓力最小值位于菱形上下兩側尖角后側區域附近;“#”形加強筋的高壓區較為分散，而低壓區主要分布于豎直筋條的后緣區域。加強筋上壓力分布形態(tài)的差異是造成閥門(mén)流體阻力不同的根本原因之一。
2.3、流體速度矢量及流線(xiàn)分布情況比較
從流體流經(jīng)三種加強筋形成的速度矢量及流線(xiàn)分布圖(圖4)可以看出：“//”形加強筋對流體的流動(dòng)影響最小，流線(xiàn)進(jìn)過(guò)加強筋后流動(dòng)方向基本上未發(fā)生明顯的改變，流動(dòng)分離現象并不明顯，流阻較小;“#”形加強筋對流體的流動(dòng)影響最大，流線(xiàn)經(jīng)過(guò)加強筋后被截斷，并在加強筋內部形成卡門(mén)漩渦，對流體阻礙作用最大。而流線(xiàn)經(jīng)過(guò)“◇”形加強筋后會(huì )在上下兩側尖角之后形成一定的分離，但是對流體的阻礙作用沒(méi)有“#”形加強筋的強烈。
圖4 流體速度矢量及流線(xiàn)分布情況
3、結論
本文通過(guò)數值模擬，研究了閥板在100%開(kāi)度下其表面三種典型的筋板分布形式對流經(jīng)閥門(mén)流體的流動(dòng)特性的影響規律。通過(guò)對無(wú)量綱流體阻力進(jìn)行比較以及表面壓力分布情況和流體速度矢量及流線(xiàn)分布情況等方面的分析。得出在滿(mǎn)足閥板強度要求的前提下，采用對稱(chēng)性“//”形筋板分布有利于減少閥門(mén)的流體阻力和動(dòng)力水頭損失并且增加流量的結論。
