劉曉凱+吉元鑫

運(yùn)用計(jì)算流體分析軟件 SolidWorks Flow Simu lation，對(duì)蝶式止回閥進(jìn)行定常流動(dòng)數(shù)值模擬仿真，獲得閥門(mén)在不同開(kāi)度下內(nèi)部流場(chǎng)的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)。在相同工況下，對(duì)比平板式蝶板和導(dǎo)流式蝶板對(duì)閥門(mén)內(nèi)部流場(chǎng)的壓力分布、速度分布和速度流線圖的影響。結(jié)果表明：在相同的工況下，導(dǎo)流式蝶板的流阻小于平板式蝶板、流通能力優(yōu)于平板式蝶板；流體對(duì)導(dǎo)流式蝶板產(chǎn)生的動(dòng)水力矩大于平板式蝶板，使蝶板能達(dá)到更大開(kāi)度，降低管網(wǎng)損耗。

一、引言

蝶式止回閥（以下簡(jiǎn)稱(chēng)止回閥）由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、流阻小且維護(hù)方便在泵站輸水系統(tǒng)中大量應(yīng)用。在一般工業(yè)供水系統(tǒng)中，設(shè)備功率的消耗主要是克服閥門(mén)、管件的阻力損耗。止回閥安裝在泵的出口處，蝶板的開(kāi)啟由流體驅(qū)動(dòng)，蝶板的結(jié)構(gòu)形式及開(kāi)啟的角度對(duì)水泵功率的損失有直接影響。

本文運(yùn)用 SolidWorks Flow Simulation對(duì)公稱(chēng)通徑DN800、公稱(chēng)壓力 PN10的止回閥在不同開(kāi)度下平板式蝶板和導(dǎo)流式蝶板的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值仿真，通過(guò)對(duì)比分析不同結(jié)構(gòu)形式的蝶板對(duì)閥內(nèi)部流場(chǎng)的影響，探討在設(shè)計(jì)中減小止回閥的流阻，增大蝶板開(kāi)啟角度的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，為止回閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的依據(jù)。

二、止回閥的結(jié)構(gòu)

止回閥的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，它具有兩個(gè)偏心，由圖中的a、b 表示，其中，a 為第一偏心，表示蝶板回轉(zhuǎn)中心與止回閥密封面之間的軸向距離；b 為第二偏心，表示蝶板的回轉(zhuǎn)中心與閥體中線線之間的軸向距離。由于第二偏心的存在，使蝶板能夠快速脫離閥座并達(dá)到最大開(kāi)度。

三、止回閥內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值仿真

1. 控制方程

止回閥內(nèi)部流體流動(dòng)狀態(tài)非常復(fù)雜，可視為湍流三元定常流動(dòng)，使用不可壓縮流動(dòng)的雷諾方程組與標(biāo)準(zhǔn)κ -ε 湍流模型，流動(dòng)的介質(zhì)為水，常溫20℃。

2. 止回閥模型、初始條件及網(wǎng)格劃分

建立止回閥的三維模型， 根據(jù)“GB/T30832-2014閥門(mén)流量系數(shù)和流阻系數(shù)試驗(yàn)方法”的規(guī)定，取止回閥的閥前管道長(zhǎng)度 L1=5D（D為管道直徑），閥后管道長(zhǎng)度 L2=10D，作為流體計(jì)算區(qū)域。采用速度進(jìn)口邊界條件 V=2m/s和自由出口邊界條件，忽略重力對(duì)流場(chǎng)的影響。采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格有限體積法對(duì)控制方程組進(jìn)行離散，在計(jì)算過(guò)程中，運(yùn)用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整使其更準(zhǔn)確的模擬流動(dòng)。兩種蝶板的三維模型如圖 2所示，流場(chǎng)計(jì)算域如圖 3所示。

四、止回閥內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值仿真及結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)兩種結(jié)構(gòu)形式蝶板在不同開(kāi)度下內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值仿真，得到相應(yīng)的壓力場(chǎng)分布圖、流場(chǎng)分布圖和流線分布圖。圖 4為兩種結(jié)構(gòu)形式的蝶板在 30°、60°和 90°開(kāi)度下壓力場(chǎng)的分布圖。

1.平板式蝶板內(nèi)部流場(chǎng)分析

平板式蝶板的內(nèi)部流場(chǎng)如圖 4所示，蝶板開(kāi)度為 30°時(shí)，蝶板前后側(cè)壓力分布不均勻，管道平均流速很小，由于鈍體擾流作用，蝶板軸轂背水面開(kāi)始產(chǎn)生漩渦；在蝶板開(kāi)度為60°時(shí)，蝶板前后側(cè)壓力逐漸平穩(wěn)，流速明顯減小，低壓區(qū)域主要集中在蝶板軸轂背水面，并形成漩渦，對(duì)蝶板產(chǎn)生較大的擾動(dòng)；在蝶板開(kāi)度為 90°時(shí)，蝶板前后側(cè)壓力分布比較均勻，由于蝶板軸轂對(duì)流體的阻礙，軸轂迎水面壓力大，流速低，軸轂和閥體之間的狹窄通道流速最大，壓力最小，軸轂背水面壓力逐漸升高使流體獲得與主流反向的加速度，由于流體的逆向運(yùn)動(dòng)，在蝶板背部產(chǎn)生漩渦，消耗流體的機(jī)械能，增大阻力損失。

2.導(dǎo)流式蝶板內(nèi)部流場(chǎng)分析

導(dǎo)流式蝶板的內(nèi)部流場(chǎng)如圖 4所示，蝶板開(kāi)度為 30°時(shí)，蝶板上游側(cè)和下游側(cè)壓差很大，管道平均流速很小，蝶板邊緣和閥體的狹小通道流速很大，由于導(dǎo)流體的導(dǎo)流作用，蝶板背部沒(méi)有產(chǎn)生漩渦，導(dǎo)流體背水面流態(tài)比平板式蝶板軸轂背水面平穩(wěn)；在蝶板開(kāi)度為 60°時(shí)，蝶板前后側(cè)壓力逐漸平穩(wěn)，流體流過(guò)導(dǎo)流體后，蝶板上下游側(cè)壓力變化不大，流速相對(duì)平穩(wěn)，沒(méi)有產(chǎn)生漩渦；在蝶板開(kāi)度為90°時(shí)，壓力和速度分布均勻，流態(tài)平穩(wěn)，導(dǎo)流體的迎水面和背水面壓力差很小，流速平穩(wěn)，沒(méi)有漩渦的形成，阻力損失比平板式蝶板小。

3.流阻系數(shù) ζ

流阻系數(shù)表征閥門(mén)的流通能力，流阻系數(shù)越小，流經(jīng)閥門(mén)時(shí)的壓力損失越小，管網(wǎng)消耗的功率也越小，流阻系數(shù) ζ為：

式中， ζ為流阻系數(shù)；Δ p為壓力損失，水流經(jīng)閥門(mén)的壓力降，Pa； ρ為介質(zhì)密度，kg/m 3；v為介質(zhì)速度，m/s。蝶板不同開(kāi)度下，兩種不同結(jié)構(gòu)形式蝶板的止回閥流阻系數(shù)如表所示。

由表可以看出，平板式蝶板和導(dǎo)流式蝶板相比，在蝶板開(kāi)度小于 30°的情況下，導(dǎo)流式蝶板的流阻大于平板式蝶板；隨著閥門(mén)開(kāi)度的增加，當(dāng)?shù)彘_(kāi)度大于 40°時(shí)，導(dǎo)流式蝶板的流阻小于平板式蝶板，流阻最大減小幅度達(dá)到了 23.5%，流通能力優(yōu)于平板式蝶板。止回閥在工作中蝶板都處在大開(kāi)度的位置，因此，導(dǎo)流式蝶板的節(jié)能效果優(yōu)于平板式蝶板。

4.動(dòng)水力矩 Td

動(dòng)水力矩是止回閥設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)，在泵的揚(yáng)程和流量不變的情況下，作用在蝶板上的動(dòng)水力矩越大，止回閥的開(kāi)啟角度越大，流阻越小。通過(guò)計(jì)算兩種結(jié)構(gòu)形式蝶板不同開(kāi)度下的動(dòng)水力矩，得出止回閥的最大開(kāi)度。動(dòng)水力矩 Td為：

Td =Cm·Δp ·D3式中， Td為動(dòng)水力矩，N·m； Cm為動(dòng)水力矩系數(shù)，無(wú)量綱常數(shù)；Δ p為壓力損失，水流經(jīng)閥門(mén)的壓力降，Pa； D為閥門(mén)公稱(chēng)通徑，m。在 SolidWorks Flow Simulation求解目標(biāo)中，插入表面目標(biāo)，在“選擇”對(duì)話(huà)框中選擇蝶板的所有外表面，在“參數(shù)”對(duì)話(huà)框中選擇“扭矩（坐標(biāo)軸）”，在“結(jié)果”的“目標(biāo)圖”中得到流體對(duì)蝶板的動(dòng)水力矩。蝶板在不同開(kāi)度下，兩種不同結(jié)構(gòu)形式蝶板的止回閥動(dòng)水力矩如圖 5中所示。從圖 5中可以看出，兩種結(jié)構(gòu)形式的蝶板從關(guān)閉到開(kāi)啟的過(guò)程中，動(dòng)水力矩呈單調(diào)遞減的規(guī)律，在小開(kāi)度的情況下，由于蝶板上下面壓差很大，對(duì)蝶板產(chǎn)生的動(dòng)水力矩也就很大，隨著角度的逐漸增大，蝶板的上下面壓差逐漸減小，在蝶板全開(kāi) 90°時(shí)最小。在蝶板的不同開(kāi)啟角度，流體對(duì)導(dǎo)流式蝶板產(chǎn)生的動(dòng)水力矩大于平板式蝶板，這是因?yàn)閷?dǎo)流式蝶板的剖面為翼型，蝶板背部的導(dǎo)流體比較突出，流通截面比平板式蝶板小，流速快，壓力低，相比平板式蝶板能產(chǎn)生更大的動(dòng)水力矩。

五、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析上述兩種不同結(jié)構(gòu)形式在不同開(kāi)度下的內(nèi)部流場(chǎng)，可以得出兩個(gè)結(jié)論。

（1）在止回閥蝶板開(kāi)度大于 40°時(shí)，導(dǎo)流式蝶板的過(guò)流特性?xún)?yōu)于平板式蝶板，流體流經(jīng)導(dǎo)流式蝶板后產(chǎn)生的漩渦少，對(duì)流體擾動(dòng)小，流阻系數(shù)小于單平板蝶板。

（2）在蝶板的不同開(kāi)度下，瞬態(tài)分析兩種蝶板在相同工況下的動(dòng)水力矩，結(jié)果表明流體對(duì)導(dǎo)流式蝶板產(chǎn)生的動(dòng)水力矩大于平板式蝶板。由于止回閥的開(kāi)啟完全由流體提供動(dòng)力，采用導(dǎo)流式蝶板的設(shè)計(jì)能增大止回閥的開(kāi)啟角度，降低管網(wǎng)損耗，提高水泵的效率。 IM