單偏心蝶閥流量特性數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

徐志新，張靜，張懿驊，師曉東

(江蘇神通閥門股份有限公司江蘇省核電閥門重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 啟東226232)

0 引 言

蝶閥因其結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，在管線中得到廣泛應(yīng)用，主要發(fā)揮截?cái)嗪土髁空{(diào)節(jié)作用。

流量系數(shù)是衡量蝶閥性能優(yōu)劣的重要參數(shù)[1]。隨著科技的發(fā)展，數(shù)值模擬的優(yōu)勢日益明顯。與試驗(yàn)方法相比，數(shù)值模擬在計(jì)算蝶閥流量系數(shù)的同時還能在計(jì)算機(jī)上獲得蝶閥的內(nèi)部流場情況[2]，可以更加便捷地對蝶閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[3]。

針對蝶閥結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部流場的理論研究目前已有諸多報道，但大部分局限于不同蝶板結(jié)構(gòu)對流量影響分析及不同開度下流量特性的分析[4-7]。本研究主要利用流體分析軟件FLUENT對不同結(jié)構(gòu)的單偏心蝶閥的內(nèi)部流場，以及影響流量系數(shù)的因素進(jìn)行分析，得到流量系數(shù)最優(yōu)的單偏心蝶閥結(jié)構(gòu)，從而滿足流量系數(shù)大于15 000的設(shè)計(jì)要求。

1 單偏心蝶閥數(shù)值模擬

1.1 流量系數(shù)計(jì)算

流量系數(shù)的計(jì)算公式如下[8]：

式中：Q為入口水流量，m3/h；ρ為水的密度，kg/m3；ρ0為15 ℃時水的密度（ρ/ρ0=1）；ΔPV為被試驗(yàn)閥門凈壓差，kPa，ΔPV=ΔP1-ΔP2；ΔP1為被試驗(yàn)閥門及試驗(yàn)管道總壓差，kPa；ΔP2為被試驗(yàn)閥門試驗(yàn)管道的壓差（不含閥門），kPa。

1.2 計(jì)算模型及邊界條件

以DN400單偏心蝶閥為分析對象，通過SolidWorks軟件建立閥門的模型，在ANSYS Geometry中對閥門內(nèi)部進(jìn)行流體填充，為保證流暢達(dá)到穩(wěn)定狀體，在閥門前后端分別加上5倍和10倍閥門公稱直徑長度的管道。

在ANSYS Workbench軟件Mesh模塊中對流體域模型進(jìn)行初步的網(wǎng)格劃分，以六面體網(wǎng)格劃分進(jìn)出水管道部分，以四面體網(wǎng)格劃分閥體內(nèi)腔部分，并對蝶板外圓面及閥座內(nèi)圓面進(jìn)行網(wǎng)格局部加密處理。

分析介質(zhì)為水，狀態(tài)為紊流，計(jì)算模型選擇通用的Standard K-epsilon；求解方法采用求解壓力耦合方程的半隱式SIMPLE 算法，選擇基于單元的格林-高斯法，求解精度均設(shè)為二階迎風(fēng)精度；本次計(jì)算的進(jìn)口處邊界條件為速度進(jìn)口，取進(jìn)口速度v=5 m/s，出口處為壓力出口。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 原始方案模擬分析

原始方案為常用的單偏心蝶閥結(jié)構(gòu)，圖1為二維示意圖，與流體接觸的零部件主要包括：閥體、閥座、蝶板、密封圈、壓板、閥軸。閥門全開時流體域模型如圖2所示。

在FLUENT中迭代800步，待完全收斂后得到閥門和管道系統(tǒng)總壓差ΔP1為8.11 kPa，管道系統(tǒng)壓差ΔP2為2.35 kPa，計(jì)算得CV=10 998.7＜15 000。故單偏心蝶閥原始方案不能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖1 原始方案二維圖

圖2 原始方案流體域及網(wǎng)格劃分模型

圖3 原始方案90°開度下流動特性圖

圖3中的流體流動方向均從左向右，從圖3（a）速度梯度分布圖可以看出，單偏心蝶閥全開時由于固定閥軸的蝶板凸臺的存在，凸臺右側(cè)、閥座右側(cè)、壓板下方均出現(xiàn)旋渦，說明這些區(qū)域?qū)α黧w形成了較大的阻隔作用。從圖3（b）可以看出，以上阻隔流體區(qū)域均形成了負(fù)壓。后續(xù)可以對單偏心蝶板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以減小流阻系數(shù)。

2.2 優(yōu)化方案一模擬分析

針對原始方案的不足，需要優(yōu)化蝶板結(jié)構(gòu)從而減弱對流體的阻隔作用。閥軸直徑已定，固定閥軸的凸臺截面改變可能性較小，但可以減小凸臺長度和減弱閥軸對流體的阻隔作用。優(yōu)化方案一的二維圖如圖4所示。將蝶板凸臺的長度由原來的90 mm減小為65 mm，單根閥軸變?yōu)樯舷麻y軸，但為了保障蝶板的強(qiáng)度，在蝶板流體方向增加20 mm厚的橫向梯形筋板。

圖4 優(yōu)化方案1二維圖

若不計(jì)算管道的流體域，原始方案的閥門流體域體積V1為4.529×107mm3，而優(yōu)化方案一的閥門流體域體積V2為4.549×107mm3，增加了0.02×107mm3。

對優(yōu)化方案一進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到閥門和管道系統(tǒng)總壓差ΔP1為6.11 kPa，管道系統(tǒng)壓差ΔP2為2.35 kPa，計(jì)算得CV=13 613.1＜15 000。CV值較原始方案提高了23.7%，但不滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 優(yōu)化方案二模擬分析

為了進(jìn)一步增加流體域，需要繼續(xù)減小蝶板、閥座、壓板對流體的阻隔作用。優(yōu)化方案一中蝶板凸臺長度及蝶板厚度很難繼續(xù)減小，而該結(jié)構(gòu)中壓板、閥座需要打螺栓孔固定也沒有優(yōu)化的空間。所以保留優(yōu)化方案一中蝶板凸臺、筋板、上下閥軸的設(shè)計(jì)，然后將壓板去除，蝶板和壓板的總厚度由原來的41 mm減為31 mm。密封圈移動到閥體和閥座之間，閥座內(nèi)徑由370 mm增大為380 mm，如圖5所示。不僅減小了蝶板和壓板在厚度方向?qū)α黧w的阻隔作用，同時也減小了閥座對流體的阻隔作用。優(yōu)化方案二閥門流體域體積V3為4.697×107mm3，比優(yōu)化方案一增加了0.148×107mm3。

對優(yōu)化方案二進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到閥門和管道系統(tǒng)總壓差ΔP1為5.10 kPa，管道系統(tǒng)壓差ΔP2為2.35 kPa，計(jì) 算 得CV=15917.9＞15000，CV值較優(yōu)化方案一提高了16.9%，且滿足設(shè)計(jì)要求。

從圖6 速度分布云圖可以看出，蝶板下端去除壓板后，旋渦也消失了，閥座右側(cè)的流速比原始方案有所減小，最高流速也比原始方案有所減小。以上分析表明，優(yōu)化方案二的結(jié)構(gòu)符合預(yù)期的優(yōu)化方向。

圖5 優(yōu)化方案2 二維圖

圖6 優(yōu)化方案二速度云圖

2.4 3種方案對比分析

從表1中3種方案的對比可以看出，從原始方案到優(yōu)化方案一和優(yōu)化方案二，流體域體積不斷增加，求得閥門總壓差ΔP1逐漸變小，CV值不斷增大直至滿足設(shè)計(jì)要求。該數(shù)據(jù)對比也驗(yàn)證了2.1小節(jié)的分析。為了盡量減小閥門內(nèi)部零部件對流體的阻隔作用，除了對蝶板結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化外，也可以更換影響流量特性的零部件（如閥座、壓板），以此滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 三種方案分析結(jié)果對比

3 結(jié)論

1）利用FLUENT對3種單偏心蝶閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算，得到蝶閥全開時整體壓差、管道壓差、流場分布情況；

2）原始方案流量分析表明，全開時蝶板凸臺、壓板、閥座位置都會產(chǎn)生旋渦，降低流通能力，可以對這些零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減小壓差，增大流量系數(shù)；

3）對原始方案中的蝶板和閥軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化得到優(yōu)化方案一，其模擬結(jié)果雖然不能滿足設(shè)計(jì)要求，但流量系數(shù)較原始方案提升了23.7%，表面優(yōu)化方向是正確的；

4）優(yōu)化方案二中去除壓板，對閥座、密封圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行較大的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，流量系數(shù)較優(yōu)化方案一提升了16.9%，最終滿足設(shè)計(jì)要求。