為了實現(xiàn)對蝶閥開度的精確控制，計算流動介質(zhì)對閥板轉(zhuǎn)軸的力矩非常有必要。以空氣作為流動介質(zhì)，利用CFD軟件，對某蝶閥隨閥板開度連續(xù)變化的流場進行了模擬仿真，研究了閥板處于不同開度時的速度場和壓力場分布規(guī)律，并得到了閥板氣動力矩特性曲線。發(fā)現(xiàn)氣流繞過閥板邊緣時發(fā)生邊界分離，閥板背面產(chǎn)生渦旋；隨著閥門開度變大，力矩呈現(xiàn)單調(diào)遞增的規(guī)律，在閥板開度為70°左右時閥板兩側(cè)面對閥板軸的合力矩達到最大，之后力矩開始單調(diào)遞減，開度為90°時合力矩接近零。

　　蝶閥作為一種用來實現(xiàn)管路系統(tǒng)通斷及流量控制的部件，廣泛應(yīng)用于石油、化工、給水排水以及能源等系統(tǒng)管路上，適用氣體、液體、半流體和固體粉末等。圖1所示為某蝶閥的結(jié)構(gòu)示意圖。圓形閥板安裝于管道的直徑方向，作為啟閉件隨著閥板軸轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)對閥門的開度控制。閥板在任意角度時，閥板兩側(cè)承受了流體的分布壓強，其合力形成了對閥板的作用力矩。隨閥板角度不同，壓強分布隨之變動，于是作用力矩也就變動。因此，閥板的壓強分布及閥板上的作用力矩研究，對蝶閥實現(xiàn)流體流量控制有著重要的意義。

圖1　蝶閥結(jié)構(gòu)示意圖

　　目前，不少學(xué)者對蝶閥及其他結(jié)構(gòu)閥門的流動特性進行了相關(guān)研究。Naseradinmousavi和Nataraj建立了蝶閥的高精度模型，并分析了以電磁驅(qū)動的蝶閥閥門開啟和關(guān)閉過程，結(jié)果表明水動力矩在閥門啟閉過程中有很重要的作用；Leutwyler和Dalton研究了可壓縮流體在對稱蝶閥中的壓力及力矩特性；He等對閥門內(nèi)流道中的三維復(fù)雜湍流流動的數(shù)值模擬作了深入研究；Song等利用基于有限元法(finite　element　method，F(xiàn)EM)計算流體動力學(xué)(computational　fluid　dynamics，CFD)軟件，提出了一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的蝶閥的新工藝；Park和Song用數(shù)值方法研究了中心對稱蝶閥的三維流動特性；Chern和Wang運用CFD軟件STAR-CD分析了球閥中流動流場，通過模擬仿真得出了球閥的相關(guān)系數(shù)。上述的這些研究在流動計算方法上都對本文有一定的參考價值，但均未涉及流動壓力分布與閥板氣動力矩關(guān)系的探討。

　　筆者以某燃氣設(shè)備進氣道上標(biāo)準(zhǔn)蝶閥為研究對象，以對蝶閥的開度控制為出發(fā)點，對其進行流場流動數(shù)值模擬，探討分析蝶閥壓力場、速度場等內(nèi)部流場隨閥板開度變化的分布規(guī)律以及渦旋產(chǎn)生的原因，得出閥板的驅(qū)動力矩特性。

1、網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

　　網(wǎng)格是CFD模型的幾何表達式，也是模擬與分析的載體，網(wǎng)格質(zhì)量對CFD計算精度和計算效率有重要影響；邊界條件是在流體運動求解域邊界上控制方程應(yīng)該滿足的條件，是數(shù)值計算中非常重要的影響因素。

　　1.1、流場區(qū)域網(wǎng)格模型建立

　　本文采用標(biāo)準(zhǔn)蝶閥為研究對象，其直徑D=2m，管道長度L=10D。為了能更好地查看閥板附近的流場，將整個CFD 模型劃分為閥體和管道兩部分。網(wǎng)格劃分分別為：閥板附近的閥體流動空間局部采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格；進出管道采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。網(wǎng)格大小為1mm。圖2為閥板開度為40°時的網(wǎng)格模型，網(wǎng)格總數(shù)量約為1.3×10⁵。其他角度的網(wǎng)格模型與之類似，只是網(wǎng)格數(shù)量略有不同。

圖2　閥門開度為40°時的網(wǎng)格模型

結(jié)論

　　1)通過對蝶閥進行三維可視化模擬仿真，得出氣流在通過閥板時，由于鈍體繞流作用，氣流繞過閥板邊緣后發(fā)生邊界層分離，使閥板背面產(chǎn)生渦旋，從而產(chǎn)生負(fù)壓，并且隨著閥門開度增加，氣流速度改變減小，渦旋減弱，負(fù)壓區(qū)域也隨之變的均勻，氣流最大速度出現(xiàn)在氣流穿過閥板時的閥板背面。

　　2)根據(jù)對閥門的氣動力矩的研究，得出在蝶閥開啟過程中，隨著閥板開度的增大，氣動合力矩逐漸減增加，直到閥板偏轉(zhuǎn)到70°左右時，合力矩達到最大值，隨著閥板開度繼續(xù)增大，閥門所受合力矩開始減小直至閥板偏轉(zhuǎn)至90°時，閥板兩側(cè)受到氣流對閥板軸力矩作用大小相等，方向相反，合力矩接近為零。