大口徑蝶閥內部流場計算及其改進

對于大型輸水工程中的蝶閥來說，其主要特點在于口徑大、流量大。為降低輸水過程中的能量損耗，提高輸水效率，必須設法降低蝶閥的壓力損失，提高流量系數。

    1 計算模型

    1.1 幾何建模

    首先采用Solidworks軟件對蝶板進行了三維造型（見圖1）。蝶板底部直徑為3.4m。蝶板上部設計為拱形結構，拱形內部設計有若干格柵以提高水的過流面積。拱形兩側各有一個凸臺用于安裝蝶板的轉軸。

圖1 原型蝶板的三維造型

    初步分析認為，拱形兩側的凸臺可能會引起流動的紊亂，因此將其改造成流線型，其三維造型見圖2。

圖2 改進型蝶板的三維造型

    1.2 計算建模

    計算模型采用三維N-S方程及標準k-ε湍流模型。其主控制方程為：

    式（1）中，Q為守恒變矢量；f，g，h分別為3個坐標方向的通量，分別表示為式（2）~式（5）：

    其中應力項為第2頁式（6）。

    采用標準k-ε模型進行求解，具體方程見第2頁式（7）和式（8）。式（7）和式（8）中G_k為湍流動能，ε為湍流動能耗散率，σ_k和σ_ε分別為k和ε的Prandtl數，

        （6）

        （7）

        （8）

        （9）

    其中S為平均應變速度張量的模量，μ_t為湍流黏度，

        （10）

    模型中的各常數取值如下：

    C_1ε=1.44，C_2ε=1.92，C_μ=0.09，σ_k=1.0，σ_ε=1.3。（11）

    計算條件：流動入口速度5m/s，入口壓力100kPa。

    2 計算結果及分析

    按閥前入口流速5m/s、入口壓力100kPa計算，采用動網格技術獲得了蝶板動態過程中的流場變化（見圖3）。

圖3 閥門開啟過程流態變化

    計算也給出了改進前后兩種蝶板在水平（即全開）狀態下的繞流流線圖和壓力云圖（見圖4、圖5，第3頁圖6、圖7）。從流線圖可以看出，原型閥門蝶板附近的流動比較紊亂，而改進后的流動則較為光順。反映到壓力上，從壓力云圖可以看出，改進前后的壓力梯度具有明顯不同。原型蝶板在兩側凸臺和外側筋板上有明顯的壓力集中，容易造成結構損壞，而改進后蝶板的壓力分布則較為均勻。

圖4 原型蝶板流線（速度量）

圖5 改進型蝶板流線（速度量）

圖6 原型蝶板壓力云（表壓）

圖7 改進型蝶板壓力云（表壓）

    從計算結果看，改進后的蝶板具有“大流量系數、小壓力損失”的明顯優點。

    更具有工程實際意義的數據是流量系數和壓力損失系數，本文的計算也分別給出了改進前后的相關結果（見表1）。

表1 蝶板改進前后的壓力系數和流量系數

    從表1的計算結果可以看出，改進后蝶板的阻力降低約30%，壓差降低9%，壓力損失系數降低約9%，而流量系數則增加了5%。

    3 經濟性分析

    該蝶閥閥板采用鑄造工藝成型。改進后材料費增加約5%，加工工藝沒有太大的變化，總的制造成本略有增加。但改進后的閥門因具有流線形的兩側凸臺，其結合部位的應力集中情況得到很大改善，在大載荷工況下不易發生破壞，使得閥門故障率明顯降低，壽命則明顯延長；而且降低了輸水過程中的能量損耗，提高了工作效率。相比較而言，制造成本的增加*可以忽略不計。