基于SolidWorks Flow Simulation的蝶式止回閥蝶板數(shù)值仿真及結(jié)構(gòu)對比

劉曉凱+吉元鑫

運用計算流體分析軟件 SolidWorks Flow Simu lation，對蝶式止回閥進行定常流動數(shù)值模擬仿真，獲得閥門在不同開度下內(nèi)部流場的壓力場和速度場。在相同工況下，對比平板式蝶板和導(dǎo)流式蝶板對閥門內(nèi)部流場的壓力分布、速度分布和速度流線圖的影響。結(jié)果表明：在相同的工況下，導(dǎo)流式蝶板的流阻小于平板式蝶板、流通能力優(yōu)于平板式蝶板；流體對導(dǎo)流式蝶板產(chǎn)生的動水力矩大于平板式蝶板，使蝶板能達到更大開度，降低管網(wǎng)損耗。

一、引言

蝶式止回閥（以下簡稱止回閥）由于結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、流阻小且維護方便在泵站輸水系統(tǒng)中大量應(yīng)用。在一般工業(yè)供水系統(tǒng)中，設(shè)備功率的消耗主要是克服閥門、管件的阻力損耗。止回閥安裝在泵的出口處，蝶板的開啟由流體驅(qū)動，蝶板的結(jié)構(gòu)形式及開啟的角度對水泵功率的損失有直接影響。

本文運用 SolidWorks Flow Simulation對公稱通徑DN800、公稱壓力 PN10的止回閥在不同開度下平板式蝶板和導(dǎo)流式蝶板的內(nèi)部流場進行了數(shù)值仿真，通過對比分析不同結(jié)構(gòu)形式的蝶板對閥內(nèi)部流場的影響，探討在設(shè)計中減小止回閥的流阻，增大蝶板開啟角度的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，為止回閥的優(yōu)化設(shè)計提供相應(yīng)的依據(jù)。

二、止回閥的結(jié)構(gòu)

止回閥的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，它具有兩個偏心，由圖中的a、b 表示，其中，a 為第一偏心，表示蝶板回轉(zhuǎn)中心與止回閥密封面之間的軸向距離；b 為第二偏心，表示蝶板的回轉(zhuǎn)中心與閥體中線線之間的軸向距離。由于第二偏心的存在，使蝶板能夠快速脫離閥座并達到最大開度。

三、止回閥內(nèi)部流場的數(shù)值仿真

1. 控制方程

止回閥內(nèi)部流體流動狀態(tài)非常復(fù)雜，可視為湍流三元定常流動，使用不可壓縮流動的雷諾方程組與標(biāo)準(zhǔn)κ -ε 湍流模型，流動的介質(zhì)為水，常溫20℃。

2. 止回閥模型、初始條件及網(wǎng)格劃分

建立止回閥的三維模型， 根據(jù)“GB/T30832-2014閥門流量系數(shù)和流阻系數(shù)試驗方法”的規(guī)定，取止回閥的閥前管道長度 L1=5D（D為管道直徑），閥后管道長度 L2=10D，作為流體計算區(qū)域。采用速度進口邊界條件 V=2m/s和自由出口邊界條件，忽略重力對流場的影響。采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格有限體積法對控制方程組進行離散，在計算過程中，運用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)對流場進行調(diào)整使其更準(zhǔn)確的模擬流動。兩種蝶板的三維模型如圖 2所示，流場計算域如圖 3所示。

四、止回閥內(nèi)部流場數(shù)值仿真及結(jié)果分析

通過對兩種結(jié)構(gòu)形式蝶板在不同開度下內(nèi)部流場的數(shù)值仿真，得到相應(yīng)的壓力場分布圖、流場分布圖和流線分布圖。圖 4為兩種結(jié)構(gòu)形式的蝶板在 30°、60°和 90°開度下壓力場的分布圖。

1.平板式蝶板內(nèi)部流場分析

平板式蝶板的內(nèi)部流場如圖 4所示，蝶板開度為 30°時，蝶板前后側(cè)壓力分布不均勻，管道平均流速很小，由于鈍體擾流作用，蝶板軸轂背水面開始產(chǎn)生漩渦；在蝶板開度為60°時，蝶板前后側(cè)壓力逐漸平穩(wěn)，流速明顯減小，低壓區(qū)域主要集中在蝶板軸轂背水面，并形成漩渦，對蝶板產(chǎn)生較大的擾動；在蝶板開度為 90°時，蝶板前后側(cè)壓力分布比較均勻，由于蝶板軸轂對流體的阻礙，軸轂迎水面壓力大，流速低，軸轂和閥體之間的狹窄通道流速最大，壓力最小，軸轂背水面壓力逐漸升高使流體獲得與主流反向的加速度，由于流體的逆向運動，在蝶板背部產(chǎn)生漩渦，消耗流體的機械能，增大阻力損失。

2.導(dǎo)流式蝶板內(nèi)部流場分析

導(dǎo)流式蝶板的內(nèi)部流場如圖 4所示，蝶板開度為 30°時，蝶板上游側(cè)和下游側(cè)壓差很大，管道平均流速很小，蝶板邊緣和閥體的狹小通道流速很大，由于導(dǎo)流體的導(dǎo)流作用，蝶板背部沒有產(chǎn)生漩渦，導(dǎo)流體背水面流態(tài)比平板式蝶板軸轂背水面平穩(wěn)；在蝶板開度為 60°時，蝶板前后側(cè)壓力逐漸平穩(wěn)，流體流過導(dǎo)流體后，蝶板上下游側(cè)壓力變化不大，流速相對平穩(wěn)，沒有產(chǎn)生漩渦；在蝶板開度為90°時，壓力和速度分布均勻，流態(tài)平穩(wěn)，導(dǎo)流體的迎水面和背水面壓力差很小，流速平穩(wěn)，沒有漩渦的形成，阻力損失比平板式蝶板小。

3.流阻系數(shù) ζ

流阻系數(shù)表征閥門的流通能力，流阻系數(shù)越小，流經(jīng)閥門時的壓力損失越小，管網(wǎng)消耗的功率也越小，流阻系數(shù) ζ為：

式中， ζ為流阻系數(shù)；Δ p為壓力損失，水流經(jīng)閥門的壓力降，Pa； ρ為介質(zhì)密度，kg/m 3；v為介質(zhì)速度，m/s。蝶板不同開度下，兩種不同結(jié)構(gòu)形式蝶板的止回閥流阻系數(shù)如表所示。

由表可以看出，平板式蝶板和導(dǎo)流式蝶板相比，在蝶板開度小于 30°的情況下，導(dǎo)流式蝶板的流阻大于平板式蝶板；隨著閥門開度的增加，當(dāng)?shù)彘_度大于 40°時，導(dǎo)流式蝶板的流阻小于平板式蝶板，流阻最大減小幅度達到了 23.5%，流通能力優(yōu)于平板式蝶板。止回閥在工作中蝶板都處在大開度的位置，因此，導(dǎo)流式蝶板的節(jié)能效果優(yōu)于平板式蝶板。

4.動水力矩 Td

動水力矩是止回閥設(shè)計的一個重要參數(shù)，在泵的揚程和流量不變的情況下，作用在蝶板上的動水力矩越大，止回閥的開啟角度越大，流阻越小。通過計算兩種結(jié)構(gòu)形式蝶板不同開度下的動水力矩，得出止回閥的最大開度。動水力矩 Td為：

Td =Cm·Δp ·D3式中， Td為動水力矩，N·m； Cm為動水力矩系數(shù)，無量綱常數(shù)；Δ p為壓力損失，水流經(jīng)閥門的壓力降，Pa； D為閥門公稱通徑，m。在 SolidWorks Flow Simulation求解目標(biāo)中，插入表面目標(biāo)，在“選擇”對話框中選擇蝶板的所有外表面，在“參數(shù)”對話框中選擇“扭矩（坐標(biāo)軸）”，在“結(jié)果”的“目標(biāo)圖”中得到流體對蝶板的動水力矩。蝶板在不同開度下，兩種不同結(jié)構(gòu)形式蝶板的止回閥動水力矩如圖 5中所示。從圖 5中可以看出，兩種結(jié)構(gòu)形式的蝶板從關(guān)閉到開啟的過程中，動水力矩呈單調(diào)遞減的規(guī)律，在小開度的情況下，由于蝶板上下面壓差很大，對蝶板產(chǎn)生的動水力矩也就很大，隨著角度的逐漸增大，蝶板的上下面壓差逐漸減小，在蝶板全開 90°時最小。在蝶板的不同開啟角度，流體對導(dǎo)流式蝶板產(chǎn)生的動水力矩大于平板式蝶板，這是因為導(dǎo)流式蝶板的剖面為翼型，蝶板背部的導(dǎo)流體比較突出，流通截面比平板式蝶板小，流速快，壓力低，相比平板式蝶板能產(chǎn)生更大的動水力矩。

五、結(jié)語

通過分析上述兩種不同結(jié)構(gòu)形式在不同開度下的內(nèi)部流場，可以得出兩個結(jié)論。

（1）在止回閥蝶板開度大于 40°時，導(dǎo)流式蝶板的過流特性優(yōu)于平板式蝶板，流體流經(jīng)導(dǎo)流式蝶板后產(chǎn)生的漩渦少，對流體擾動小，流阻系數(shù)小于單平板蝶板。

（2）在蝶板的不同開度下，瞬態(tài)分析兩種蝶板在相同工況下的動水力矩，結(jié)果表明流體對導(dǎo)流式蝶板產(chǎn)生的動水力矩大于平板式蝶板。由于止回閥的開啟完全由流體提供動力，采用導(dǎo)流式蝶板的設(shè)計能增大止回閥的開啟角度，降低管網(wǎng)損耗，提高水泵的效率。 IM