蝶阀三维流场仿真和阀板驱动力矩求解

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Simulation of 3D flow field and calculation of moments on valve plate for butterfly valveShen Yang，Jin Xiaohong，Yang Ke(College of Machinery and Automation，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China)Abstract.In order to control the opening of butterfly valve accurately，it is of great importance to calculate the moment that flowmedium acts on the valve plate.Taking air as the flow medium，the flow field that changes with the opening of valve is simulatedusing computational fluid dynamics software.Then the distributions of velocity field and pressure field are obtained，as wel thecurve of aerodynamic moment.The results show that，boundary layer separation occurs after the air flows around the edge ofvalve plate and vortexes emerge at the back of valve plate.W ith the opening of valve going larger，the moment is monotonicalyincreased，until the opening of valve plate turns 70。，when the resultant moment of the valve plate reaches its maximum，and thenit begins tO monotonically decrease with the resultant moment ClOSe tO 0 at 90。。

Key words：fluid；butterfly valve；flow field；opening；aerodynamics蝶阀作为-种用来实现管路系统通断及流量控制的部件，广泛应用于石油、化工、给水排水以及能源等系统管路上，适用气体、液体、半流体和固体粉末等。图 1所示为某蝶阀的结构示意图。圆形阀板安装于管道的直径方向，作为启闭件随着阀板轴转动来实现对阀门的开度控制。阀板在任意角度时，阀板两侧承受了流体的分布压强，其合力形成了对阀板的作用力矩。随阀板角度不同，压强分布随之变动，于是作用力矩也就变动。因此，阀板的压强分布及阀板上的作用力矩研究，对蝶阀实现流体流量控制有着重要的意义。

图1 蝶阀结构示意图Fig.1 Structural diagram of the butterfly valve目前，不少学者对蝶阀及其他结构阀门的流动特性进行了相关研究。Naseradinmousavi和 Nataraju 建立了蝶阀的高精度模型，并分析了以电磁驱动的蝶阀阀门开启和关闭过程，结果表明水动力矩在阀门启闭过程 中有很重要的作用；Leutwyler和DaltonE2]研究了可压缩流体在对称蝶阀中的压力及力矩特性；He等3]对阀门内流道中的三维复杂湍流流动的数值模拟作了深入研究；Song等l4]利用基于有限元法(finite element method，FEM)计算流体动力学 (computational fluid dynamics，CFD)软件，提出了-种复杂结构的蝶阀的新工艺；Park和 SongE ]用数值方法研究了中心对称蝶阀的三维流动特性；Chern和 Wang j运用 CFD软件 STAR-CD分析了球阀中流动流场，通过模拟仿真得出了球阀的相关系数。上述的这些研究在流动计算方法上都对本文有-定的参考价值，但均未涉及流动压力分布与阀板气动力矩关系的探讨。

笔者以某燃气设备进气道上标准蝶阀为研究对象，以对蝶阀的开度控制为出发点，对其进行流场流动数值模拟，探讨分析蝶阀压力尝速度场等内部流场随阀板开度变化的分布规律以及涡旋产生的原因，得出阀板的驱动力矩特性。

收稿日期：2013-06-21震 昌然 繁硕士研牲N(512主4要50研13究)1986 方向：数字何服系统与智能控制 作者简介：沈洋( -)，女， 究生， 倒 利通信联系人：金晓宏，教授，主要研究方向：数字伺服系统与智能控制，fluidpower###263·net第 8期 沈 洋，等：蝶阀三维流场仿真和阀板驱动力矩求解 8211 网格划分及边界条件设置网格是 CFD模型的几何表达式，也是模拟与分析的载体，网格质量对 CFD计算精度和计算效率有重要影响；边界条件是在流体运动求解域边界上控制方程应该满足的条件，是数值计算中非常重要的影响因素。

1.1 流场区域网格模型建立本文采用标准蝶阀为研究对象，其直径 D-2m，管道长度 L-IOD。为了能更好地查看阀板附近的流场，将整个 CFD模型划分为阀体和管道两部分。网格划分分别为：阀板附近的阀体流动空间局部采用四面体非结构网格；进出管道采用六面体结构网格。网格大小为 1 mm。图 2为阀板开度为 40。

时的网格模型，网格总数量约为 1.3×lO 。其他角度的网格模型与之类似，只是网格数量略有不同。

ty图 2 阀门开度为 4O。时的网格模型Fig.2 M esh model at 40。opening1.2 计算模型和边界条件设定1)计算模型：气体黏度极低，流场内平均流速不大于50 m/s，流动状态为不可压缩流体湍流，选取标准 k-湍流模型↑壁区采用标准壁面函数法，固壁面采用无滑移边界条件。压力和速度的耦合采用simple算法，离散格式全部采用二阶迎风格式。

2)流体参数：流体介质为空气，其密度为 1.225kg/m。，温度为 300 K。

3)边界条件：进口设置为速度人口，入 口速度为i -8 m/s；出口设置为自由出流。

2 流场分析理论控制方程在实际的数值求解过程中，需要将控制方程离散化才能满足计算机的需要，将分析模型转化为计算机可以计算求解的网格，然后在每个单元上施加离散化偏微分控制方程并求解，根据得到的数据可绘制流动分布图。气体在阀门及管道内流动是三维的，计算模型采用标准 志-e方程模型，遵循以下方程规律E ：1)不可压缩流体连续性方程- 0； (1)dSCi2)不可压缩湍流运动方程 - -差 at a T； r” az；1- ； (2) 厂-3)标准 是～方程- 譬； (3)4)湍动能k的方程丝3t 差- (瑟 )差- - 十 3xj[ ak- )差； )5)耗散率 e的方程at 立3xj-- c1 ( ) 3x j- ( - )蠢czs 。

式中，-”代表对时间的平均值，b代表脉动值，0为流体密度， 为流体的速度分量， 为流体微元体上的压强， 为动力黏度， 为湍动黏度，k为湍流动能，e为耗散率。标准 是-e模式量纲-的常数： -0.09，C1 - 1.44，C 1.92， - 1.0， - 1.3。

3 数值计算及结果分析3.1 三维可视化模拟仿真笔者对蝶阀阀门开度为oO～90。时的模型进行了计算，部分角度的速度矢量图、速度云图以及压力云图如图3～图5所示。

如图 3所示，当气流绕流过阀板时产生明显的涡旋。图 3(a)中，上游流体流经阀板上部开口区时，通流面积减小使流线密度增加，开口区内压力远低于来流压力。由于流线不能转折，流经上开 口区的流体大部分沿开口流向下游，形成逐渐扩散的主流，该主流在下游流速降低压力升高，致使其中部分流体在下游压力作用下产生回流运动，而另-部分处于阀板外圆表面近壁层的流体，由于边界层内黏滞阻力作用，流体质点在外圆表面近壁层内运动中耗损了大量的动能，于是在阀板背面边缘点开始脱离主流，边界层内的流体质点自上游不断流来，脱流质点不断聚集，从而形成脱流质点和回流质点初始涡旋8]。图3(a)下部开口区，基本也有前述情况，不同的是下开口区发生脱流的行程较上开 口区短，边界层内黏滞阻力作用较弱，涡旋程度显得微弱。在图 3(b)和(c)，随着开度增加，流线密集度减少，开口区内流速降低，涡旋程度逐渐减弱。

由图 4所示，气流在阀门上游管道内流动，呈现较稳定的状态，而气流在通过阀板时，由于钝体绕流作用，流唱始变得紊乱，阀板背面上下处各产生-个涡流。当阀门开度较小时，阀门与管道间形成的缝隙较小，气流经过阀板时，速度改变较大，涡流明显。随着阀门开度增加，阀板上下表面与气流速度方向的夹角越小，有利于气体的绕流，流偿渐变得平稳，涡流减弱。

如图5所示，流道上游的正压稳定，当气流绕流过阀板时，阀板背面附近产生负压，随着阀门的开度第 8期 沈 洋 ，等：蝶阀三维流场仿真和阀板驱动力矩求解 823量和。

。)图 7 气动力矩曲线Fig.7 The curve of aerodynamic moment如图7所示，蝶阀阀门从闭合到开启过程中，随着阀门开启角度变大，力矩特性呈现单调递增的规律，直到阀板偏转 7o。时，正反阀板面对阀板轴的合力矩达到最大，之后蝶阀气动力矩又开始单调递减，90。时合力矩接近为零。另外，随着压差的增大，最大气动力矩产生的位置相对于横坐标逐渐向左移，即压差为 0.2 MPa时最大气动力矩产生在阀门开度74。附近，压差为 0.4 MPa时发生在 70。附近，压差为0.6 MPa时发生在 65。附近。阀板增大的过程中，阀体与阀板之间形成的空隙以阀杆轴为中心，两侧呈现不同的状态，阀板下侧顺着气流方向而动，上侧则逆着气流方向旋转，阀门两侧受到-个气流力偶作用，对阀板形成-合力矩♂合图 5的压力云图可以看出，在阀门开启的过程中，阀板上侧正压与负压的压差逐渐变大，则其受到的力矩逐渐变大，而下侧所受到的压差越来越小，则其力矩越来越小，那么合力矩必然会逐渐增加。当阀门增大到某个角度时，阀门所受合力矩达到最大，随着阀板另-侧的气流反作用力逐渐增加，对阀门会形成-个反向作用力矩阻止阀门的开启 ，继续开启阀门，反向力矩增加强度会大于正向力矩增加值，这时阀门所受气动合力矩开始逐渐减校笔者运用的仿真方法同样适用于求得其他介质对阀板的驱动力矩，并得到相同的力矩规律。

4 结 论1)通过对蝶阀进行三维可视化模拟仿真，得出气流在通过阀板时，由于钝体绕流作用，气流绕过阀板边缘后发生边界层分离，使阀板背面产生涡旋，从而产生负压，并且随着阀门开度增加，气流速度改变减小，涡旋减弱，负压区域也随之变的均匀，气流最大速度出现在气流穿过阀板时的阀板背面。

2)根据对阀门的气动力矩的研究，得出在蝶阀开启过程中，随着阀板开度的增大，气动合力矩逐渐减增加，直到阀板偏转到 7O。左右时，合力矩达到最大值，随着阀板开度继续增大，阀门所受合力矩开始减小直至阀板偏转至 9O。时，阀板两侧受到气流对阀板轴力矩作用大小相等，方 向相反，合力矩接近为零。