供稿/鄭州市鄭蝶閥門有限公司 劉曉凱 袁林楓

基于SolidWorks Flow Simulation大口徑蝶閥流場(chǎng)分析及結(jié)構(gòu)對(duì)比

供稿/鄭州市鄭蝶閥門有限公司 劉曉凱 袁林楓

蝶閥由于體積小，重量輕，操作維護(hù)方便在長(zhǎng)距離輸水管線被廣泛運(yùn)用。蝶閥的水頭損失與閥板的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，本文介紹了兩種不同結(jié)構(gòu)形式的閥板，運(yùn)用SolidWorks Flow Simulation對(duì)不同閥板結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，斜跨桁架式閥板的流通能力優(yōu)于豎直筋板式閥板；在閥板的各個(gè)開度下，斜跨桁架式閥板流阻系數(shù)小于豎直筋板式閥板，管網(wǎng)水頭損失小，節(jié)約能耗，對(duì)今后大口徑輸水蝶閥閥板的設(shè)計(jì)提供了有益的參考。

一、概述

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的飛速發(fā)展，長(zhǎng)距離輸水管線的公稱通徑和公稱壓力不斷提高，對(duì)大口徑、低能耗輸水蝶閥的需求越來越大。引水工程從上游水庫(kù)取水，經(jīng)取水泵站升壓后，由輸水連通管線輸送至下游水廠，大口徑管線輸水蝶閥（以下簡(jiǎn)稱蝶閥）安裝在輸水管線中段，通過控制閥板的啟閉控制管線的連通與關(guān)閉，蝶閥在工作中閥板處于全開狀態(tài)，在泵站檢修或者緊急事故狀態(tài)下關(guān)閉閥門，截?cái)嗟沽骰厮?，保證泵站的安全。

閥板是蝶閥內(nèi)部流場(chǎng)的主要阻力部件，閥板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響蝶閥的流阻系數(shù)，對(duì)管網(wǎng)能耗大小起決定性作用。本文以某大口徑輸水管線DN4000PN10蝶閥作為研究對(duì)象，運(yùn)用SolidWorks Flow Simuation對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)形式的閥板進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算。通過分析對(duì)比流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，探討在蝶閥設(shè)計(jì)中減小閥板的流阻系數(shù)，提高蝶閥的使用性能，降低管網(wǎng)能耗損失。為蝶閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了相應(yīng)的依據(jù)。

二、閥板結(jié)構(gòu)

由于閥門的口徑和壓力不同，蝶板的結(jié)構(gòu)形式也有所不同，小口徑蝶板閥板主要采用單平板和球冠型蝶板，大口徑蝶閥的閥板結(jié)構(gòu)形式常采用雙平板式閥板，根據(jù)蝶板背板和筋板的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，分為豎直筋板式閥板和斜跨筋板式閥板。

1.豎直筋板式閥板

豎直筋板式閥板由軸轂、主板、背板和四根豎直筋板組成，如圖1所示。四根筋板把軸轂之間的閥板區(qū)域均分成面積相等的四等分，筋板垂直于主板，背板和筋板的迎水面為直邊。

圖1　豎直筋板式閥板

2.斜跨筋板式閥板

斜跨筋板式閥板由導(dǎo)流式軸轂、連接板、主板、背板和兩根斜跨筋板組成，如圖2所示。與豎直筋板式閥板相比，閥板重量不但減輕，而且強(qiáng)度和變形也優(yōu)于豎直筋板式閥板。主板與背板之間的筋板由四根變?yōu)閮筛?，傾斜布置，與主板的夾角為65°；背板與軸轂連接板之間的夾角為25°，軸轂采用導(dǎo)流式設(shè)計(jì)，使流經(jīng)軸轂的流體平穩(wěn)過度，筋板和背板的迎水面為流線型圓滑過渡倒角，減小對(duì)流體的阻力。

圖2　斜跨筋板式閥板

三、蝶閥流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算

1.蝶閥流場(chǎng)幾何模型、網(wǎng)格劃分及邊界條件

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，CAE計(jì)算機(jī)輔助分析在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和優(yōu)化中發(fā)揮著重要的作用。對(duì)于大口徑蝶閥，由于試驗(yàn)條件的限制，無法通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試出，運(yùn)用SolidWorks Flow Simulation軟件模擬閥板內(nèi)部的實(shí)際流動(dòng)情況，可計(jì)算出蝶板在不同開度下的流阻系數(shù)，并對(duì)閥板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，降低局部阻力損失。

建立蝶閥內(nèi)部流場(chǎng)的三維模型，根據(jù)《GB/T30832-2014閥門流量系數(shù)和流阻系數(shù)試驗(yàn)方法》的規(guī)定，模擬試驗(yàn)介質(zhì)為水，入口速度為2m/s，出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101325pa，進(jìn)口管道長(zhǎng)度為閥門公稱通徑的5倍，出口管道長(zhǎng)度為閥門公稱通徑的10倍，在計(jì)算中，對(duì)狹小間隙和細(xì)小特征局部?jī)?yōu)化，采用自適應(yīng)網(wǎng)格控制，使網(wǎng)格在求解計(jì)算期間自動(dòng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行調(diào)整，得到最優(yōu)網(wǎng)格解。如圖3所示。

圖3　蝶閥流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域

2.蝶閥不同開度流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算及結(jié)果分析

豎直筋板式閥板的流場(chǎng)分析如圖4所示，閥板在10°開度時(shí)，過流通道很小，閥板前后側(cè)壓力分布不均勻，閥前壓力大，閥后壓力小，閥板與管道之間的狹窄通道流速很高，在閥板下游側(cè)，由于壓力較低，會(huì)產(chǎn)生大面積的渦流。隨著閥板開度的增加，在閥板開度50°時(shí)流動(dòng)趨于平穩(wěn)，在下游閥板處會(huì)出現(xiàn)局部渦流，流體在經(jīng)過蝶板軸轂后，產(chǎn)生邊界層分離現(xiàn)象， 在軸轂背水側(cè)會(huì)產(chǎn)生局部回流，形成漩渦，蝶板的迎水面為豎直平面，阻礙流體通過，并形成旋渦。當(dāng)閥板在全開90°時(shí)，閥前閥后壓力分布比較均勻，壓力變化小，但閥板軸轂、背板和筋板的迎水面對(duì)水流的阻礙依然存在，流體通過閥板后，形成局部的漩渦，造成較大的壓力損失。

圖4　豎直筋板式閥板不同開度下流場(chǎng)分布圖

斜跨筋板式閥板的流場(chǎng)分析如圖5～8所示，閥板在10°開度時(shí)，閥板前后側(cè)壓力分布不均，閥前壓力大，閥后壓力小，閥板與管道之間的狹窄通道流速很高，由于流道狹窄，流態(tài)與豎直筋板式閥板相差不大。當(dāng)閥板開啟到50°時(shí)，閥板前后流態(tài)相對(duì)平穩(wěn)，流體經(jīng)過導(dǎo)流式軸轂后，經(jīng)過平滑的過度，沒有產(chǎn)生邊界層分離現(xiàn)象，軸轂迎水側(cè)和被水側(cè)壓力壓力分布相對(duì)均勻，流態(tài)平穩(wěn)，背板和筋板的迎水面改為過度倒角后，流態(tài)趨于平穩(wěn)。當(dāng)閥板在全開90°時(shí)，管道壓力和流速分布均勻，流體在經(jīng)過閥板后，軸轂、背板和筋板迎水面沒有產(chǎn)生邊界層分離現(xiàn)象，流態(tài)平穩(wěn)。

圖5　斜跨筋板式閥板流場(chǎng)分布圖的壓力云圖

圖6　斜跨筋板式閥板流場(chǎng)分布圖的速度云圖

圖7　斜跨筋板式閥板流場(chǎng)分布圖的90°軸轂處速度流線圖

圖8　斜跨筋板式閥板流場(chǎng)分布圖背板和筋板迎水面流線圖

3.流阻系數(shù)

流阻系數(shù)表征閥門的流通能力，是衡量蝶閥性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，蝶閥的流阻系數(shù)越小，對(duì)流體的阻力越小，表明蝶閥更加節(jié)約能耗。流體流經(jīng)閥門的流阻的系數(shù)可用公式表示：

式中，ζ為流阻系數(shù)；Δp為壓力損失，流體經(jīng)過閥門的壓力降，單位為Pa；ρ為介質(zhì)密度，單位為kg/m3；v為管道流體平均速度，單位為m/s。

表 兩種閥板在不同開度下的流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果對(duì)比

從表中可以看出，在閥板的各個(gè)開度下，斜跨筋板式閥板流阻系數(shù)和壓力損失均小于豎直筋板式閥板，在閥板開度小于30°時(shí)，由于閥板對(duì)流道的阻礙，流通面積較小，流阻系數(shù)和壓力損失相差不大，在閥板開度大于40°時(shí)，斜跨筋板式閥板對(duì)比豎直筋板式閥板的流阻系數(shù)最大減小百分比達(dá)到27.8%，流通能力優(yōu)于豎直筋板式閥板。

4.能耗計(jì)算

在泵站輸水系統(tǒng)中，流阻系數(shù)是設(shè)計(jì)和選用閥門的主要性能參數(shù)，流體通過蝶閥時(shí)，由于蝶閥的流阻產(chǎn)生的壓頭損失需要消耗泵的附加能力，蝶閥流阻系數(shù)的大小對(duì)降低管網(wǎng)損耗，有重要的影響。壓頭損失可直接轉(zhuǎn)換成泵站電機(jī)消耗的電能。計(jì)算單臺(tái)蝶閥一年消耗的電能可用公式表示為：

式中，P為一年消耗電能，單位為KW·h；Q為體積流量，單位為m3/h；ΔH為介質(zhì)通過蝶閥的壓頭損失，單位為m；Sg為流體相當(dāng)于水的比重；U為泵使用百分率（每天24小時(shí)）；η為泵的效率（0.8）。

對(duì)于DN4000管網(wǎng)輸水系統(tǒng)中，取管道平均流量90360m3/h，豎直筋板式閥板的壓頭損失0.027m，斜跨筋板式蝶板的壓頭損失0.035m，豎直筋板式閥板的年耗電量94087KW·h，斜跨筋板式閥板的年耗電量72582KW·h，斜跨筋板式閥板每年比豎直筋板式閥板節(jié)約電能21505KW·h，因此，斜跨筋板式閥板具有非常顯著的節(jié)能效果。

四、結(jié)語(yǔ)

（1）本文基于SolidWorks Flow Simulation模擬，對(duì)豎直筋板式閥板和斜跨筋板式閥板的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，通過流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果可知，在閥板的各個(gè)開度下，斜跨筋板式蝶板的壓力損失和流阻系數(shù)小于豎直筋板式蝶板。在閥板的全開位置，過對(duì)兩種閥板的能耗進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明斜跨筋板式閥板能耗低于豎直筋板式閥板，節(jié)能效果顯著。

（2）通過運(yùn)用SolidWorks Flow Simulation對(duì)閥板進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算，確定了最佳的蝶板結(jié)構(gòu)，使蝶閥的使用性能大幅提高，此方法在蝶閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化中值得推廣。