利用CFD軟件FLUENT對中心型蝶閥流場進行數值模擬。計算模型采用不可壓縮流動的雷諾時均方程組，紊流模型采用標準模型，離散方程的求解采用壓力耦合方程組的半隱式方法(SIM-PLE算法)。對閥門在不同開度情況下，流場狀況分別進行了數值模擬，分別得到速度場，壓力場，速度矢量場。定性的給出了閥門在不同開度下重要部位的受力情況，比較直觀的給出了閥門在不同工況下流道內部的速度分布，為分析閥門內部受沖擊狀況提供了依據。由對閥門開度的不斷變化，得到了渦流的形成過程，及速度對渦流形成及擴展的影響。

1、前言

　　蝶閥以其結構簡單和適合用于大中口徑管道的結構特點，得到了廣泛的應用。應用傳統(tǒng)的閥門設計方法已經很難滿足蝶閥設計生產的需要，在這種情況下數值模擬方法應運而生，它能夠從更深層次對蝶閥的內部流場狀況進行模擬，將流體力學的相關理論真正應用到蝶閥設計過程中去，對蝶閥設計制造具有深遠的意義。即是利用數值模擬軟件FLUENT對典型蝶閥的內部流場進行數值模擬，從而為蝶閥改進設計提供依據。以期對蝶閥的設計制造起到一定的指導作用。

2、N-S方程

　　黏性流體的運動方程的Navier-Stokes方程，簡稱N—S方程。(1)適用于可壓縮黏性流體的運動方程如式(1)。(2)理想流體的運動方程—Euler方程。若不考慮流體的黏性，則由上式可得理想流體的運動方程—Euler方程如式(2)。N—S方程比較準確地描述了實際的流動，黏性流體的流動分析均可歸結為對N-S方程的研究。由于其形式甚為復雜，實際上只有極少情況下可以求出精確解，故產生了通過數值求解的研究，這也是計算流體力學進行計算的最基本的方程。可以這么說，所有的流體流動問題，都是圍繞對N—S方程的求解進行的。

(1)

(2)

3、中心型蝶閥

　　蝶閥是用隨閥桿轉動的圓形板件作啟閉件，往復回轉90°左右來開啟，關閉和調節(jié)流體通道的一種閥門。蝶閥主要用作截斷閥，亦可設計成具有調節(jié)或截斷兼調節(jié)的功能。目前蝶閥在低壓大中口徑管道上的使用越來越多。中心型蝶閥三維模型圖，如圖1所示。

圖1 中心型蝶閥三維模型

4、中心型蝶閥流場的數值模擬

　　以典型中心型蝶閥DN1000為例，為保證流場的穩(wěn)定性，取蝶閥及其前部管道L1=5D(D為管道直徑)與其后部管道L2=10D一同作為計算域。網格劃分采用了非結構混合網格技術，利用FLUNENT軟件包中的前處理軟件GAMBIT強大的網格劃分功能，采用自適應的網格技術對流場進行調整，使其模擬出更加精細的流動。采用不可壓縮流動的雷諾時均方程組，湍流模型采用標準k-ε模型;所有方程中的對流項均用二階迎風格式離散，離散方程的求解采用壓力耦合方程組的半隱式方法(SIMPLE算法)，所有方程中的對流項均用二階格式離散，所有方程的熟練殘差均為0.0001，全流場計算了定常流動，得到了閥內流場的詳細分布情況。利用GAMBIT建立計算模型。面的網格劃分情況，如圖2所示。利用Gambit建立閥門不同開度情況下的計算區(qū)域，閥轉過了相應的角度即可。

圖2 閥板附近的網格劃分情況

　　利用FLUENT求解器求解。為了研究閥門的流場特性，按照閥門開度為100%，60%和45%的3種典型工況，將入口速度設置為1，模擬閥門全開，較大開度，半開3種典型狀態(tài)，進行比較分析。

　　4.1、閥門全開時流場模擬結果分析

　　閥門全開，流速1m/s時壓力模擬結果，如圖3所示。

圖3 流速1m/s時壓力圖

　　閥門全開，流速1m/s時流場流速模擬結果，如圖4所示。閥門全開，流速1m/s時流場速度矢量模擬結果，如圖5所示。閥門100%開度，水流速度1m/s時流場特性分析。

　　(1)從壓力圖3可知，整個閥板和閥壁受力狀況良好，受力較均勻，只是在閥板端部小區(qū)域內形成局部高壓區(qū)，對閥板前部形成一定的沖擊，但考慮到這種沖擊發(fā)生在閥板的大尺寸方向，且上下對稱，因此對蝶閥整體的影響不大。(2)從速度圖4可知，流速的上下對稱性較好，速度梯度比較溫和，流速過度區(qū)域比較大。在閥板前端和后端形成的低速區(qū)亦在我們的意料之中，和實踐的情況也較吻合，說明模擬結果可信度較高。(3)從速度矢量圖5可知，整個流場基本以層流為主，整體看流場狀況較為平穩(wěn)。總體來看，蝶閥全開時，流速分布較均勻，整個流態(tài)相當平穩(wěn)。

　　圖4 流速1m/s時速度圖

圖5 流速1m/s時速度矢量圖

　　4.2、閥門60%開度時流場模擬結果分析

　　閥門60%開度，流速1m/s時流場壓力模擬結果，如圖6所示。

圖6 流速1m/s時壓力圖

　　閥門60%開度，流速1m/s時流場速度模擬結果，如圖7所示。閥門60%開度，流速1m/s時流場速度矢量模擬結果，如圖8所示。閥門60%開度，水流速度1m/s時流場特性分析。

圖7 流速1m/s時速度圖

圖8 流速1m/s時速度矢量圖

　　(1)從壓力圖6可知，閥板總體呈現前高壓，后低壓的狀況，同時后部的低壓區(qū)較為均勻，梯度不大，相比較前部的高壓區(qū)又呈現出明顯的上部低壓，下部高壓的特點，使得閥板的受力無論前后，還是上下都出現不對稱的情況，不過由于此時的壓力梯度并不太大，所以閥板雖然受力較復雜，但不會產生較為嚴重的問題。(2)從速度圖7可知，閥板上下過流區(qū)域的流速過大，會對附近的管壁

　　造成一定的沖擊。閥板后部的層狀低速區(qū)則清晰可見。(3)速度矢量圖8可知，流場仍以層流為主，未見明顯異常。

　　4.3、閥門45%開度時流場模擬結果分析

　　閥門45%開度，流速1m/s時流場壓力模擬結果，如圖9所示。

圖9 流速1m/s時壓力圖

　　閥門45%開度，流速1m/s時流場速度模擬結果，如圖10所示。

圖10 流速1m/s時速度圖

　　閥門45%開度，流速1m/s時流場速度矢量模擬結果，如圖11所示。

圖11 流速1m/s時速度矢量圖

　　閥門45%開度，水流速度1m/s時流場特性分析。

　　(1)從壓力圖9上可知，以閥板為界，前面和后面分為典型的高壓區(qū)和低壓區(qū)，閥板的單面受力狀況相對較簡單，但由于前面和后面的壓差較大，造成此時閥板整體的受力環(huán)境比較惡劣。(2)從速度圖10可知，閥板兩端過流區(qū)的流速較大，速度梯度也較大，對管壁形成一定的沖擊，由于蝶閥背面存在局部低壓區(qū)，從蝶閥上方越過的流體部分折向下流，從蝶閥下方流過的流體部分折向上流，在閥板背面靠下部分形成旋渦。(3)從速度矢量圖11可知，渦流區(qū)依稀可見。

5、結論

　　通過分析模擬結果，可以得出以下幾點結論：(1)閥門全開時或者是開度較大時過流狀況較好，主要表現在整體的速度梯度較小，無論對閥板還是管壁的沖擊都較小，從其速度矢量場則可以看出此時整個流場以層流為主，流場狀況較簡單。(2)隨著閥門開度的減小，首先是在閥板后部形成低壓區(qū)，隨著閥門開度的進一步減小，閥板邊緣過流區(qū)的速度梯度明顯增大，同時在閥門45%開度左右在閥板背部開始形成清晰可見的渦流區(qū)，使閥門內部的流場狀況開始變的不穩(wěn)定。