基于SolidWorks Flow Simulation大口徑蝶閥流場分析及結構對比

供稿/鄭州市鄭蝶閥門有限公司 劉曉凱 袁林楓

基于SolidWorks Flow Simulation大口徑蝶閥流場分析及結構對比

供稿/鄭州市鄭蝶閥門有限公司 劉曉凱 袁林楓

蝶閥由于體積小，重量輕，操作維護方便在長距離輸水管線被廣泛運用。蝶閥的水頭損失與閥板的結構密切相關，本文介紹了兩種不同結構形式的閥板，運用SolidWorks Flow Simulation對不同閥板結構形式進行流場計算。計算結果表明，斜跨桁架式閥板的流通能力優于豎直筋板式閥板；在閥板的各個開度下，斜跨桁架式閥板流阻系數小于豎直筋板式閥板，管網水頭損失小，節約能耗，對今后大口徑輸水蝶閥閥板的設計提供了有益的參考。

一、概述

隨著我國城鎮化的飛速發展，長距離輸水管線的公稱通徑和公稱壓力不斷提高，對大口徑、低能耗輸水蝶閥的需求越來越大。引水工程從上游水庫取水，經取水泵站升壓后，由輸水連通管線輸送至下游水廠，大口徑管線輸水蝶閥（以下簡稱蝶閥）安裝在輸水管線中段，通過控制閥板的啟閉控制管線的連通與關閉，蝶閥在工作中閥板處于全開狀態，在泵站檢修或者緊急事故狀態下關閉閥門，截斷倒流回水，保證泵站的安全。

閥板是蝶閥內部流場的主要阻力部件，閥板的結構設計直接影響蝶閥的流阻系數，對管網能耗大小起決定性作用。本文以某大口徑輸水管線DN4000PN10蝶閥作為研究對象，運用SolidWorks Flow Simuation對兩種不同結構形式的閥板進行流場計算。通過分析對比流場計算結果，探討在蝶閥設計中減小閥板的流阻系數，提高蝶閥的使用性能，降低管網能耗損失。為蝶閥的優化設計提供了相應的依據。

二、閥板結構

由于閥門的口徑和壓力不同，蝶板的結構形式也有所不同，小口徑蝶板閥板主要采用單平板和球冠型蝶板，大口徑蝶閥的閥板結構形式常采用雙平板式閥板，根據蝶板背板和筋板的拓撲結構的不同，分為豎直筋板式閥板和斜跨筋板式閥板。

1.豎直筋板式閥板

豎直筋板式閥板由軸轂、主板、背板和四根豎直筋板組成，如圖1所示。四根筋板把軸轂之間的閥板區域均分成面積相等的四等分，筋板垂直于主板，背板和筋板的迎水面為直邊。

圖1　豎直筋板式閥板

2.斜跨筋板式閥板

斜跨筋板式閥板由導流式軸轂、連接板、主板、背板和兩根斜跨筋板組成，如圖2所示。與豎直筋板式閥板相比，閥板重量不但減輕，而且強度和變形也優于豎直筋板式閥板。主板與背板之間的筋板由四根變為兩根，傾斜布置，與主板的夾角為65°；背板與軸轂連接板之間的夾角為25°，軸轂采用導流式設計，使流經軸轂的流體平穩過度，筋板和背板的迎水面為流線型圓滑過渡倒角，減小對流體的阻力。

圖2　斜跨筋板式閥板

三、蝶閥流場數值計算

1.蝶閥流場幾何模型、網格劃分及邊界條件

隨著計算機技術的不斷發展與成熟，CAE計算機輔助分析在產品設計和優化中發揮著重要的作用。對于大口徑蝶閥，由于試驗條件的限制，無法通過實驗測試出，運用SolidWorks Flow Simulation軟件模擬閥板內部的實際流動情況，可計算出蝶板在不同開度下的流阻系數，并對閥板的結構進行優化，降低局部阻力損失。

建立蝶閥內部流場的三維模型，根據《GB/T30832-2014閥門流量系數和流阻系數試驗方法》的規定，模擬試驗介質為水，入口速度為2m/s，出口壓力為標準大氣壓101325pa，進口管道長度為閥門公稱通徑的5倍，出口管道長度為閥門公稱通徑的10倍，在計算中，對狹小間隙和細小特征局部優化，采用自適應網格控制，使網格在求解計算期間自動根據計算結果對網格進行調整，得到最優網格解。如圖3所示。

圖3　蝶閥流場計算區域

2.蝶閥不同開度流場數值計算及結果分析

豎直筋板式閥板的流場分析如圖4所示，閥板在10°開度時，過流通道很小，閥板前后側壓力分布不均勻，閥前壓力大，閥后壓力小，閥板與管道之間的狹窄通道流速很高，在閥板下游側，由于壓力較低，會產生大面積的渦流。隨著閥板開度的增加，在閥板開度50°時流動趨于平穩，在下游閥板處會出現局部渦流，流體在經過蝶板軸轂后，產生邊界層分離現象， 在軸轂背水側會產生局部回流，形成漩渦，蝶板的迎水面為豎直平面，阻礙流體通過，并形成旋渦。當閥板在全開90°時，閥前閥后壓力分布比較均勻，壓力變化小，但閥板軸轂、背板和筋板的迎水面對水流的阻礙依然存在，流體通過閥板后，形成局部的漩渦，造成較大的壓力損失。

圖4　豎直筋板式閥板不同開度下流場分布圖

斜跨筋板式閥板的流場分析如圖5～8所示，閥板在10°開度時，閥板前后側壓力分布不均，閥前壓力大，閥后壓力小，閥板與管道之間的狹窄通道流速很高，由于流道狹窄，流態與豎直筋板式閥板相差不大。當閥板開啟到50°時，閥板前后流態相對平穩，流體經過導流式軸轂后，經過平滑的過度，沒有產生邊界層分離現象，軸轂迎水側和被水側壓力壓力分布相對均勻，流態平穩，背板和筋板的迎水面改為過度倒角后，流態趨于平穩。當閥板在全開90°時，管道壓力和流速分布均勻，流體在經過閥板后，軸轂、背板和筋板迎水面沒有產生邊界層分離現象，流態平穩。

圖5　斜跨筋板式閥板流場分布圖的壓力云圖

圖6　斜跨筋板式閥板流場分布圖的速度云圖

圖7　斜跨筋板式閥板流場分布圖的90°軸轂處速度流線圖

圖8　斜跨筋板式閥板流場分布圖背板和筋板迎水面流線圖

3.流阻系數

流阻系數表征閥門的流通能力，是衡量蝶閥性能優劣的重要指標，蝶閥的流阻系數越小，對流體的阻力越小，表明蝶閥更加節約能耗。流體流經閥門的流阻的系數可用公式表示：

式中，ζ為流阻系數；Δp為壓力損失，流體經過閥門的壓力降，單位為Pa；ρ為介質密度，單位為kg/m3；v為管道流體平均速度，單位為m/s。

表 兩種閥板在不同開度下的流場計算結果對比

從表中可以看出，在閥板的各個開度下，斜跨筋板式閥板流阻系數和壓力損失均小于豎直筋板式閥板，在閥板開度小于30°時，由于閥板對流道的阻礙，流通面積較小，流阻系數和壓力損失相差不大，在閥板開度大于40°時，斜跨筋板式閥板對比豎直筋板式閥板的流阻系數最大減小百分比達到27.8%，流通能力優于豎直筋板式閥板。

4.能耗計算

在泵站輸水系統中，流阻系數是設計和選用閥門的主要性能參數，流體通過蝶閥時，由于蝶閥的流阻產生的壓頭損失需要消耗泵的附加能力，蝶閥流阻系數的大小對降低管網損耗，有重要的影響。壓頭損失可直接轉換成泵站電機消耗的電能。計算單臺蝶閥一年消耗的電能可用公式表示為：

式中，P為一年消耗電能，單位為KW·h；Q為體積流量，單位為m3/h；ΔH為介質通過蝶閥的壓頭損失，單位為m；Sg為流體相當于水的比重；U為泵使用百分率（每天24小時）；η為泵的效率（0.8）。

對于DN4000管網輸水系統中，取管道平均流量90360m3/h，豎直筋板式閥板的壓頭損失0.027m，斜跨筋板式蝶板的壓頭損失0.035m，豎直筋板式閥板的年耗電量94087KW·h，斜跨筋板式閥板的年耗電量72582KW·h，斜跨筋板式閥板每年比豎直筋板式閥板節約電能21505KW·h，因此，斜跨筋板式閥板具有非常顯著的節能效果。

四、結語

（1）本文基于SolidWorks Flow Simulation模擬，對豎直筋板式閥板和斜跨筋板式閥板的內部流場進行計算，通過流場計算結果可知，在閥板的各個開度下，斜跨筋板式蝶板的壓力損失和流阻系數小于豎直筋板式蝶板。在閥板的全開位置，過對兩種閥板的能耗進行計算，結果表明斜跨筋板式閥板能耗低于豎直筋板式閥板，節能效果顯著。

（2）通過運用SolidWorks Flow Simulation對閥板進行流場計算，確定了最佳的蝶板結構，使蝶閥的使用性能大幅提高，此方法在蝶閥結構優化中值得推廣。