師麗俠，韓杰，黃正權(quán)

（常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 常州 213164）

0 引言

閥門新產(chǎn)品投入生產(chǎn)前，需要進行大量的試驗，對新產(chǎn)品的各項性能進行測試，不斷對樣品進行改進，從而最大限度地滿足市場需求。此過程不僅消耗了大量的人力物力，而且降低了生產(chǎn)效率。如今，隨著計算機有限元技術(shù)的發(fā)展，CAE技術(shù)已經(jīng)成為產(chǎn)品設(shè)計、研究何驗證的一種必然趨勢，其發(fā)展和廣泛應(yīng)用，給企業(yè)的生產(chǎn)和制造解決實際問題帶來很大的便利，使傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計方法和生產(chǎn)組織模式發(fā)生巨大的變革，在滿足設(shè)計需求的前提下，縮短了產(chǎn)品設(shè)計周期、減少樣品驗證、降低成本、增強客戶滿意度、增強市場應(yīng)變能力等，使企業(yè)在市場上更具有競爭力。本研究對選用某閥門企業(yè)的蝶閥做了不同工況下流場分析模擬，運用ANSYS CFX軟件對閥門進行模擬仿真分析計算可以縮短試驗設(shè)計流程，實現(xiàn)閥門優(yōu)化設(shè)計的快速反饋，減少物理樣機的試驗和設(shè)計成本。

1 蝶閥

蝶閥是眾多閥門產(chǎn)品中的一種，在機械工程中廣泛使用，特別是在流體運輸管路中應(yīng)用廣泛，蝶閥產(chǎn)品在實際工程應(yīng)用中能提供較小的流體阻力，隨著技術(shù)的進步和發(fā)展，以及對產(chǎn)品的不斷改進升級，已有成熟的設(shè)計理論與方法可供借鑒和參考[1]。蝶閥通過閥桿運動帶動蝶板轉(zhuǎn)動來做啟閉的一種閥門，主要通過蝶板的旋轉(zhuǎn)開度來控制流量，改變蝶板的角度來調(diào)節(jié)流量，當?shù)彘_啟角度為90°時閥門處于全開狀態(tài)，流阻較小。根據(jù)蝶閥的功能，蝶板是安裝在閥體內(nèi)的直徑方向，以起到控制流量的作用，蝶閥內(nèi)的蝶板自身沒有鎖定能力，通過閥桿將減速器與蝶板連接起來，在蝶閥上加裝蝸輪減速器后，不僅使蝶閥具有自鎖能力，還能改善蝶閥的操作性能以及更準確的調(diào)節(jié)閥門的介質(zhì)流量。工作環(huán)境、流通介質(zhì)、壓強以及流速等條件的不同，蝶閥結(jié)構(gòu)也不同。

本研究選用公司某型低溫蝶閥為研究對象，該蝶閥產(chǎn)品的關(guān)鍵部位有閥體、閥桿、蝶板等如圖1所示。蝶閥工作時根據(jù)旋轉(zhuǎn)閥桿通過圓錐銷同時帶動蝶板轉(zhuǎn)動來控制流體流量，通過蝶板旋轉(zhuǎn)角度的改變來控制流量，蝶板旋轉(zhuǎn)角度為0°～90°，角度為0°時，蝶閥處于全關(guān)閉狀態(tài)，開啟角度為90°時，閥門處于全開狀態(tài)。通過對此蝶閥的分析為下一步流體域的三維建模打下基礎(chǔ)。

圖1 蝶閥結(jié)構(gòu)示意圖

2 有限元模型的建立

2.1 建立物理模型

運用Solidworks軟件創(chuàng)建蝶閥所有零部件，利用裝配體設(shè)計模塊，依據(jù)蝶閥二維裝配圖紙對蝶閥實體模型進行組裝，在裝配過程中充分考慮蝶閥的現(xiàn)實工作條件，保證各零部件之間無干涉情況，蝶板與閥桿都只有一個旋轉(zhuǎn)自由度。蝶閥的裝配體如圖2所示。

圖2 蝶閥的裝配體

2.2 創(chuàng)建蝶閥流體域有限元模型

根據(jù)蝶閥的裝配體數(shù)模對蝶閥內(nèi)部流場進行提取及優(yōu)化，將蝶閥三維模型流體域?qū)氲紸NSYS ICEM CFD中，導入時保證前后單位一致，使得數(shù)值換算一致，保證分析結(jié)果的準確性。比較導入前、后的流域三維模型，模型未發(fā)生丟面、少面、面扭曲等現(xiàn)象，確保信息完整性，為后期網(wǎng)格的劃分及優(yōu)化打下基礎(chǔ)。圖3為導入前后蝶板旋轉(zhuǎn)45°時的流體域三維模型。

圖3 導入前后的流體域模型

2.3 網(wǎng)格劃分及優(yōu)化

將創(chuàng)建好的蝶閥流體域三維數(shù)模導入ANSYS CFD模塊中進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量優(yōu)劣會影響到計算結(jié)果的準確性，如果網(wǎng)格劃分設(shè)置不合理或者網(wǎng)格質(zhì)量較差會影響計算結(jié)果的收斂從而導致無法得到可靠結(jié)果[2，3]。本研究的蝶閥其流體模型具有流體壁面邊界層法向速度梯度較大的特點，溫度梯度大，壁面附近是流動阻力和熱流的密集區(qū)域。針對邊界層的流動特點，本研究采用三棱柱和四面體網(wǎng)格相結(jié)合進行網(wǎng)格劃分，將三棱柱網(wǎng)格應(yīng)用于邊界層內(nèi)，四面體網(wǎng)格應(yīng)用于邊界的層外。設(shè)置模型整體網(wǎng)格大小為8 mm，設(shè)置壁面上的三棱柱網(wǎng)格大小為5 mm，共生成網(wǎng)格單元總數(shù)1200萬左右。如圖4所示。

圖4 閥板開啟90°時劃分網(wǎng)格結(jié)果

2.4 邊界條件設(shè)置

設(shè)定蝶閥內(nèi)部流場的介質(zhì)為水，在CFX求解器的數(shù)據(jù)庫中插入水的物理屬性，設(shè)置流動模型為三維不可壓縮非黏性流動，選擇不可壓縮流動的雷諾時均方程組與k-ε湍流模型構(gòu)成封閉的方程組來計算求解。

（1）進口邊界條件：整體網(wǎng)格劃分，進口速度設(shè)置為10 m/s，默認速度均勻分布。

（2）出口邊界條件：出口壓強值為2 MPa。

（3）其他邊界條件：本閥體主要是研究分析內(nèi)部流場，蝶閥壁面附近流場選用近似分析方法，將其設(shè)置為固壁面邊界。

蝶板旋轉(zhuǎn)90°時蝶閥流體域初始條件與邊界條件的設(shè)置結(jié)果如圖5所示。

圖5 初始條件與邊界條件的設(shè)置結(jié)果

3 基于ANSYS CFX對蝶閥不同工況下的流場分析

3.1 蝶板正常開啟90°工況下分析結(jié)果

圖6是蝶板開啟90°工況下的分析結(jié)果。

圖6 蝶板開啟90°工況下的分析結(jié)果

由圖6可以看出：蝶閥全開時，閥內(nèi)進出口流速分布都比較均勻，速度和流線分布均關(guān)于蝶板對稱，水流方向一致，局部損失小，整體來說管道內(nèi)流場分布比較均勻，流態(tài)平穩(wěn)。

結(jié)果表明所取的計算域使水流順暢，同時說明分析設(shè)置計算取值合理。

當?shù)y處于完全打開狀態(tài)時，為進一步驗證分析結(jié)果的準確性，對蝶閥內(nèi)部壓強和流速之間的關(guān)系進行分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 壓強與速度曲線圖

由圖7壓強與速度的曲線圖可以看出，在閥體內(nèi)部流體域的壓強與速度成反比，即流體剛進入閥體內(nèi)部時，由于蝶板的阻擋引起流速減慢，壓強增大。符合在閥體內(nèi)壓強與速度成反比的關(guān)系。

3.2 蝶板開啟45°工況下CFX分析結(jié)果

圖8是蝶板開啟45°工況下的分析結(jié)果。

圖8 蝶板開啟45°工況下的分析結(jié)果

由圖8可以直觀地看到流動介質(zhì)在蝶板開啟45°工況下蝶閥型腔內(nèi)部流過時的速度情況，在水流過閥板前部時由于截面積瞬間減小引起流速也瞬間減小，導致蝶板前后產(chǎn)生壓力差，此時的壓力差與蝶閥開度為30°時相比明顯減少。由于蝶板的阻隔，通過速度圖可以看出流速分布不均勻，在過流的上下區(qū)域，流速較大，此速度對管壁會造成較大的沖擊。由于蝶板的下方存在局部低壓區(qū)，導致管道上方的部分流體折向蝶板的下方，而管道下方的流體則折向上流，此現(xiàn)象在蝶板下方形成旋渦。

4 不同工況下數(shù)值模擬結(jié)果的分析對比

在對蝶閥開啟45°和90°分析的同時，也對蝶閥在開啟30°、60°工況時進行了模擬分析，以模擬查看蝶閥在不同工況下閥體內(nèi)部水流的狀態(tài)和對蝶閥的影響。通過對不同工況的模擬分析，可以得出：

（1）蝶閥開啟小于45°時，由于蝶板在蝶閥中的阻擋，介質(zhì)在閥體內(nèi)部的流速會變得不一致，介質(zhì)主要在蝶板的上下兩處區(qū)域通過，流速相對較大，同時會形成渦流現(xiàn)象，此種狀態(tài)下，介質(zhì)的流速對管壁會造成較大的沖擊。由于蝶板的一側(cè)是承壓面，背水面會出現(xiàn)局部低壓區(qū)，由于壓力查的原因，閥內(nèi)上方的部分流體介質(zhì)會向蝶板的下方折返，此時閥內(nèi)下部的流體介質(zhì)向上折流，從而會在蝶板的下方區(qū)域形成漩渦現(xiàn)象。

（2）從蝶板開啟不同角度的流場速度云圖可以看到，當?shù)y開啟角度減小時，閥體內(nèi)流場分布不均勻，流體所阻力大，流場相對比較復雜，蝶板的兩側(cè)區(qū)域流體速度會變大，在蝶板的迎水面會形成一個低速的渦流，蝶板的背面由于壓強差的原因會形成一個速度較高的漩渦，造成蝶閥內(nèi)部流體不穩(wěn)定，同時對下游段的流場影響較長，當閥門開啟度接近完全關(guān)閉時，閥門附近出現(xiàn)強烈旋渦。另外當增加閥門的開啟角度時，閥門內(nèi)旋渦明顯減少，水流平穩(wěn)。

5 結(jié)語

對某公司蝶閥在開啟4種不同工作情況的流場分析，求解出閥體內(nèi)部的壓強云圖、速度矢量圖、速度云圖、流線圖以及壓強與速度之間的關(guān)系進行對比。探討了不同工作情況流體對蝶閥的影響，獲得了理想的分析效果，對后續(xù)蝶閥的優(yōu)化設(shè)計提供了基礎(chǔ)，從而為閥門改進設(shè)計提供依據(jù)。