大口径蝶阀内部流场计算及其改进

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)大同煤矿集团力泰公司 作者:陈宇政

  针对某阀门公司的DN3400蝶阀,采用计算流体动力学(CFD)的方法,对阀门过流区域内的流场和压力场进行计算,得出所关注的既定形状阀门的流量系数和压力损失系数,为工程设计提供依据。为实现流量系数和压力损失系数的最大利益化,特对蝶板外形进行了修改,并对此修改的外形开展同样的计算。阀门修改前后流场计算结果的比较,可为进一步的工程优化设计提供有益的参考。

  对于大型输水工程中的蝶阀来说,其主要特点在于口径大、流量大。为降低输水过程中的能量损耗,提高输水效率,必须设法降低蝶阀的压力损失,提高流量系数。

1、计算模型

1.1、几何建模

  首先采用Solidworks软件对蝶板进行了三维造型(见图1)。蝶板底部直径为3.4m。蝶板上部设计为拱形结构,拱形内部设计有若干格栅以提高水的过流面积。拱形两侧各有一个凸台用于安装蝶板的转轴。

原型蝶板的三维造型

图1 原型蝶板的三维造型

  初步分析认为,拱形两侧的凸台可能会引起流动的紊乱,因此将其改造成流线型,其三维造型见图2。

改进型蝶板的三维造型

图2 改进型蝶板的三维造型

1.2、计算建模

  计算模型采用三维N-S方程及标准k-ε湍流模型。其主控制方程为:

  式(1)中,Q为守恒变矢量;f,g,h分别为3个坐标方向的通量,分别表示为式(2)~式(5):

大口径蝶阀内部流场计算及其改进

  其中应力项为第2页式(6)。

  采用标准k-ε模型进行求解,具体方程见第2页式(7)和式(8)。式(7)和式(8)中Gk为湍流动能,ε为湍流动能耗散率,σk和σε分别为k和ε的Prandtl数,

大口径蝶阀内部流场计算及其改进

  其中S为平均应变速度张量的模量,μt为湍流黏度,

大口径蝶阀内部流场计算及其改进

  模型中的各常数取值如下:

C1ε=1.44,C2ε=1.92,Cμ=0.09,σk=1.0,σε=1.3。(11)

  计算条件:流动入口速度5m/s,入口压力100kPa。

2、计算结果及分析

  按阀前入口流速5m/s、入口压力100kPa计算,采用动网格技术获得了蝶板动态过程中的流场变化(见图3)。

阀门开启过程流态变化

图3 阀门开启过程流态变化

  计算也给出了改进前后两种蝶板在水平(即全开)状态下的绕流流线图和压力云图(见图4、图5,第3页图6、图7)。从流线图可以看出,原型阀门蝶板附近的流动比较紊乱,而改进后的流动则较为光顺。反映到压力上,从压力云图可以看出,改进前后的压力梯度具有明显不同。原型蝶板在两侧凸台和外侧筋板上有明显的压力集中,容易造成结构损坏,而改进后蝶板的压力分布则较为均匀。

原型蝶板流线(速度量)

图4 原型蝶板流线(速度量)

改进型蝶板流线(速度量)

图5 改进型蝶板流线(速度量)

原型蝶板压力云(表压)

图6 原型蝶板压力云(表压)

改进型蝶板压力云(表压)

图7 改进型蝶板压力云(表压)

  从计算结果看,改进后的蝶板具有“大流量系数、小压力损失”的明显优点。

  更具有工程实际意义的数据是流量系数和压力损失系数,本文的计算也分别给出了改进前后的相关结果(见表1)。

表1 蝶板改进前后的压力系数和流量系数

蝶板改进前后的压力系数和流量系数

  从表1的计算结果可以看出,改进后蝶板的阻力降低约30%,压差降低9%,压力损失系数降低约9%,而流量系数则增加了5%。

3、经济性分析

  该蝶阀阀板采用铸造工艺成型。改进后材料费增加约5%,加工工艺没有太大的变化,总的制造成本略有增加。但改进后的阀门因具有流线形的两侧凸台,其结合部位的应力集中情况得到很大改善,在大载荷工况下不易发生破坏,使得阀门故障率明显降低,寿命则明显延长;而且降低了输水过程中的能量损耗,提高了工作效率。相比较而言,制造成本的增加完全可以忽略不计。

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