針對某閥門公司的DN3400蝶閥，采用計算流體動力學(xué)(CFD)的方法，對閥門過流區(qū)域內(nèi)的流場和壓力場進行計算，得出所關(guān)注的既定形狀閥門的流量系數(shù)和壓力損失系數(shù)，為工程設(shè)計提供依據(jù)。為實現(xiàn)流量系數(shù)和壓力損失系數(shù)的最大利益化，特對蝶板外形進行了修改，并對此修改的外形開展同樣的計算。閥門修改前后流場計算結(jié)果的比較，可為進一步的工程優(yōu)化設(shè)計提供有益的參考。

　　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(shè)法降低蝶閥的壓力損失，提高流量系數(shù)。

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(shè)計為拱形結(jié)構(gòu)，拱形內(nèi)部設(shè)計有若干格柵以提高水的過流面積。拱形兩側(cè)各有一個凸臺用于安裝蝶板的轉(zhuǎn)軸。

圖1 原型蝶板的三維造型

　　初步分析認為，拱形兩側(cè)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(yīng)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Gk為湍流動能，ε為湍流動能耗散率，σk和σε分別為k和ε的Prandtl數(shù)，

　　其中S為平均應(yīng)變速度張量的模量，μt為湍流黏度，

　　模型中的各常數(shù)取值如下：

C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3。(11)

　　計算條件：流動入口速度5m/s，入口壓力100kPa。

2、計算結(jié)果及分析

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

圖3 閥門開啟過程流態(tài)變化

　　計算也給出了改進前后兩種蝶板在水平(即全開)狀態(tài)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(cè)凸臺和外側(cè)筋板上有明顯的壓力集中，容易造成結(jié)構(gòu)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(jié)果看，改進后的蝶板具有“大流量系數(shù)、小壓力損失”的明顯優(yōu)點。

　　更具有工程實際意義的數(shù)據(jù)是流量系數(shù)和壓力損失系數(shù)，本文的計算也分別給出了改進前后的相關(guān)結(jié)果(見表1)。

表1 蝶板改進前后的壓力系數(shù)和流量系數(shù)

　　從表1的計算結(jié)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(shù)降低約9%，而流量系數(shù)則增加了5%。

3、經(jīng)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(cè)凸臺，其結(jié)合部位的應(yīng)力集中情況得到很大改善，在大載荷工況下不易發(fā)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，制造成本的增加完全可以忽略不計。