中心型蝶閥流場的數(shù)值模擬研究
利用CFD軟件FLUENT對中心型蝶閥流場進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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)。對閥門在不同開度情況下，流場狀況分別進(jìn)行了數(shù)值模擬，分別得到速度場，壓力場，速度矢量場。定性的給出了閥門在不同開度下重要部位的受力情況，比較直觀的給出了閥門在不同工況下流道內(nèi)部的速度分布，為分析閥門內(nèi)部受沖擊狀況提供了依據(jù)。由對閥門開度的不斷變化，得到了渦流的形成過程，及速度對渦流形成及擴(kuò)展的影響。
1、前言
蝶閥以其結(jié)構(gòu)簡單和適合用于大中口徑管道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用傳統(tǒng)的閥門設(shè)計(jì)方法已經(jīng)很難滿足蝶閥設(shè)計(jì)生產(chǎn)的需要，在這種情況下數(shù)值模擬方法應(yīng)運(yùn)而生，它能夠從更深層次對蝶閥的內(nèi)部流場狀況進(jìn)行模擬，將流體力學(xué)的相關(guān)理論真正應(yīng)用到蝶閥設(shè)計(jì)過程中去，對蝶閥設(shè)計(jì)制造具有深遠(yuǎn)的意義。即是利用數(shù)值模擬軟件FLUENT對典型蝶閥的內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，從而為蝶閥改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。以期對蝶閥的設(shè)計(jì)制造起到一定的指導(dǎo)作用。
2、N-S方程
黏性流體的運(yùn)動(dòng)方程的Navier-Stokes方程，簡稱N—S方程。(1)適用于可壓縮黏性流體的運(yùn)動(dòng)方程如式(1)。(2)理想流體的運(yùn)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(yùn)動(dòng)方程—Euler方程如式(2)。N—S方程比較準(zhǔn)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(jié)為對N-S方程的研究。由于其形式甚為復(fù)雜，實(shí)際上只有極少情況下可以求出精確解，故產(chǎn)生了通過數(shù)值求解的研究，這也是計(jì)算流體力學(xué)進(jìn)行計(jì)算的最基本的方程�？梢赃@么說，所有的流體流動(dòng)問題，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(zhuǎn)動(dòng)的圓形板件作啟閉件，往復(fù)回轉(zhuǎn)90°左右來開啟，關(guān)閉和調(diào)節(jié)流體通道的一種閥門。蝶閥主要用作截?cái)嚅y，亦可設(shè)計(jì)成具有調(diào)節(jié)或截?cái)嗉嬲{(diào)節(jié)的功能。目前蝶閥在低壓大中口徑管道上的使用越來越多。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、中心型蝶閥流場的數(shù)值模擬
以典型中心型蝶閥DN1000為例，為保證流場的穩(wěn)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(jì)算域。網(wǎng)格劃分采用了非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格技術(shù)，利用FLUNENT軟件包中的前處理軟件GAMBIT強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能，采用自適應(yīng)的網(wǎng)格技術(shù)對流場進(jìn)行調(diào)整，使其模擬出更加精細(xì)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(biāo)準(zhǔn)k-ε模型;所有方程中的對流項(xiàng)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(xiàng)均用二階格式離散，所有方程的熟練殘差均為0.0001，全流場計(jì)算了定常流動(dòng)，得到了閥內(nèi)流場的詳細(xì)分布情況。利用GAMBIT建立計(jì)算模型。面的網(wǎng)格劃分情況，如圖2所示。利用Gambit建立閥門不同開度情況下的計(jì)算區(qū)域，閥轉(zhuǎn)過了相應(yīng)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。為了研究閥門的流場特性，按照閥門開度為100%，60%和45%的3種典型工況，將入口速度設(shè)置為1，模擬閥門全開，較大開度，半開3種典型狀態(tài)，進(jìn)行比較分析。
4.1、閥門全開時(shí)流場模擬結(jié)果分析
閥門全開，流速1m/s時(shí)壓力模擬結(jié)果，如圖3所示。
圖3 流速1m/s時(shí)壓力圖
閥門全開，流速1m/s時(shí)流場流速模擬結(jié)果，如圖4所示。閥門全開，流速1m/s時(shí)流場速度矢量模擬結(jié)果，如圖5所示。閥門100%開度，水流速度1m/s時(shí)流場特性分析。
(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(qū)域內(nèi)形成局部高壓區(qū)，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，因此對蝶閥整體的影響不大。(2)從速度圖4可知，流速的上下對稱性較好，速度梯度比較溫和，流速過度區(qū)域比較大。在閥板前端和后端形成的低速區(qū)亦在我們的意料之中，和實(shí)踐的情況也較吻合，說明模擬結(jié)果可信度較高。(3)從速度矢量圖5可知，整個(gè)流場基本以層流為主，整體看流場狀況較為平穩(wěn)�？傮w來看，蝶閥全開時(shí)，流速分布較均勻，整個(gè)流態(tài)相當(dāng)平穩(wěn)。
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60%開度時(shí)流場模擬結(jié)果分析
閥門60%開度，流速1m/s時(shí)流場壓力模擬結(jié)果，如圖6所示。
圖6 流速1m/s時(shí)壓力圖
閥門60%開度，流速1m/s時(shí)流場速度模擬結(jié)果，如圖7所示。閥門60%開度，流速1m/s時(shí)流場速度矢量模擬結(jié)果，如圖8所示。閥門60%開度，水流速度1m/s時(shí)流場特性分析。
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(xiàn)前高壓，后低壓的狀況，同時(shí)后部的低壓區(qū)較為均勻，梯度不大，相比較前部的高壓區(qū)又呈現(xiàn)出明顯的上部低壓，下部高壓的特點(diǎn)，使得閥板的受力無論前后，還是上下都出現(xiàn)不對稱的情況，不過由于此時(shí)的壓力梯度并不太大，所以閥板雖然受力較復(fù)雜，但不會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的問題。(2)從速度圖7可知，閥板上下過流區(qū)域的流速過大，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(qū)則清晰可見。(3)速度矢量圖8可知，流場仍以層流為主，未見明顯異常。
4.3、閥門45%開度時(shí)流場模擬結(jié)果分析
閥門45%開度，流速1m/s時(shí)流場壓力模擬結(jié)果，如圖9所示。
圖9 流速1m/s時(shí)壓力圖
閥門45%開度，流速1m/s時(shí)流場速度模擬結(jié)果，如圖10所示。
圖10 流速1m/s時(shí)速度圖
閥門45%開度，流速1m/s時(shí)流場速度矢量模擬結(jié)果，如圖11所示。
圖11 流速1m/s時(shí)速度矢量圖
閥門45%開度，水流速度1m/s時(shí)流場特性分析。
(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(qū)和低壓區(qū)，閥板的單面受力狀況相對較簡單，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，閥板兩端過流區(qū)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(qū)，從蝶閥上方越過的流體部分折向下流，從蝶閥下方流過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(qū)依稀可見。
5、結(jié)論
通過分析模擬結(jié)果，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：(1)閥門全開時(shí)或者是開度較大時(shí)過流狀況較好，主要表現(xiàn)在整體的速度梯度較小，無論對閥板還是管壁的沖擊都較小，從其速度矢量場則可以看出此時(shí)整個(gè)流場以層流為主，流場狀況較簡單。(2)隨著閥門開度的減小，首先是在閥板后部形成低壓區(qū)，隨著閥門開度的進(jìn)一步減小，閥板邊緣過流區(qū)的速度梯度明顯增大，同時(shí)在閥門45%開度左右在閥板背部開始形成清晰可見的渦流區(qū)，使閥門內(nèi)部的流場狀況開始變的不穩(wěn)定。
