大口径蝶阀内部流场计算及其改进
发布时间：2024-11-30 点击：4
对于大型输水工程中的蝶阀来说，其主要特点在于口径大、流量大。为降低输水过程中的能量损耗，提高输水效率，必须设法降低蝶阀的压力损失，提高流量系数。
1 计算模型
1.1 几何建模
首先采用solidworks软件对蝶板进行了三维造型（见图1）。蝶板底部直径为3.4m。蝶板上部设计为拱形结构，拱形内部设计有若干格栅以提高水的过流面积。拱形两侧各有一个凸台用于安装蝶板的转轴。
图1 原型蝶板的三维造型
初步分析认为，拱形两侧的凸台可能会引起流动的紊乱，因此将其改造成流线型，其三维造型见图2。
图2 改进型蝶板的三维造型
1.2计算建模
计算模型采用三维n-s方程及标准k-ε湍流模型。其主控制方程为：
式（1）中，q为守恒变矢量；f，g，h分别为3个坐标方向的通量，分别表示为式（2）~式（5）：
其中应力项为第2页式（6）。
采用标准k-ε模型进行求解，具体方程见第2页式（7）和式（8）。式（7）和式（8）中gk为湍流动能，ε为湍流动能耗散率，σk和σε分别为k和ε的prandtl数，
（6）
（7）
（8）
（9）
其中s为平均应变速度张量的模量，μt为湍流黏度，
（10）
模型中的各常数取值如下：
c1ε=1.44，c2ε=1.92，cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3。（11）
计算条件：流动入口速度5m/s，入口压力100kpa。
2 计算结果及分析
按阀前入口流速5m/s、入口压力100kpa计算，采用动网格技术获得了蝶板动态过程中的流场变化（见图3）。
图3 阀门开启过程流态变化
计算也给出了改进前后两种蝶板在水平（即全开）状态下的绕流流线图和压力云图（见图4、图5，第3页图6、图7）。从流线图可以看出，原型阀门蝶板附近的流动比较紊乱，而改进后的流动则较为光顺。反映到压力上，从压力云图可以看出，改进前后的压力梯度具有明显不同。原型蝶板在两侧凸台和外侧筋板上有明显的压力集中，容易造成结构损坏，而改进后蝶板的压力分布则较为均匀。
图4 原型蝶板流线（速度量）
图5 改进型蝶板流线（速度量）
图6 原型蝶板压力云（表压）
图7 改进型蝶板压力云（表压）
从计算结果看，改进后的蝶板具有“大流量系数、小压力损失”的明显优点。
更具有工程实际意义的数据是流量系数和压力损失系数，本文的计算也分别给出了改进前后的相关结果（见表1）。
表1 蝶板改进前后的压力系数和流量系数
从表1的计算结果可以看出，改进后蝶板的阻力降低约30%，压差降低9%，压力损失系数降低约9%，而流量系数则增加了5%。
3 经济性分析
该蝶阀阀板采用铸造工艺成型。改进后材料费增加约5%，加工工艺没有太大的变化，总的制造成本略有增加。但改进后的阀门因具有流线形的两侧凸台，其结合部位的应力集中情况得到很大改善，在大载荷工况下不易发生破坏，使得阀门故障率明显降低，寿命则明显延长；而且降低了输水过程中的能量损耗，提高了工作效率。相比较而言，制造成本的增加*可以忽略不计。
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图1 原型蝶板的三维造型
初步分析认为，拱形两侧的凸台可能会引起流动的紊乱，因此将其改造成流线型，其三维造型见图2。
图2 改进型蝶板的三维造型
1.2计算建模
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式（1）中，q为守恒变矢量；f，g，h分别为3个坐标方向的通量，分别表示为式（2）~式（5）：
其中应力项为第2页式（6）。
采用标准k-ε模型进行求解，具体方程见第2页式（7）和式（8）。式（7）和式（8）中gk为湍流动能，ε为湍流动能耗散率，σk和σε分别为k和ε的prandtl数，
（6）
（7）
（8）
（9）
其中s为平均应变速度张量的模量，μt为湍流黏度，
（10）
模型中的各常数取值如下：
c1ε=1.44，c2ε=1.92，cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3。（11）
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图3 阀门开启过程流态变化
计算也给出了改进前后两种蝶板在水平（即全开）状态下的绕流流线图和压力云图（见图4、图5，第3页图6、图7）。从流线图可以看出，原型阀门蝶板附近的流动比较紊乱，而改进后的流动则较为光顺。反映到压力上，从压力云图可以看出，改进前后的压力梯度具有明显不同。原型蝶板在两侧凸台和外侧筋板上有明显的压力集中，容易造成结构损坏，而改进后蝶板的压力分布则较为均匀。
图4 原型蝶板流线（速度量）
图5 改进型蝶板流线（速度量）
图6 原型蝶板压力云（表压）
图7 改进型蝶板压力云（表压）
从计算结果看，改进后的蝶板具有“大流量系数、小压力损失”的明显优点。
更具有工程实际意义的数据是流量系数和压力损失系数，本文的计算也分别给出了改进前后的相关结果（见表1）。
表1 蝶板改进前后的压力系数和流量系数
从表1的计算结果可以看出，改进后蝶板的阻力降低约30%，压差降低9%，压力损失系数降低约9%，而流量系数则增加了5%。
3 经济性分析
该蝶阀阀板采用铸造工艺成型。改进后材料费增加约5%，加工工艺没有太大的变化，总的制造成本略有增加。但改进后的阀门因具有流线形的两侧凸台，其结合部位的应力集中情况得到很大改善，在大载荷工况下不易发生破坏，使得阀门故障率明显降低，寿命则明显延长；而且降低了输水过程中的能量损耗，提高了工作效率。相比较而言，制造成本的增加*可以忽略不计。
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