蝶阀三维流场仿真和阀板驱动力矩求解

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)(武汉科技大学机械自动化学院 作者:沈洋

  为了实现对蝶阀开度的精确控制,计算流动介质对阀板转轴的力矩非常有必要。以空气作为流动介质,利用CFD软件,对某蝶阀随阀板开度连续变化的流场进行了模拟仿真,研究了阀板处于不同开度时的速度场和压力场分布规律,并得到了阀板气动力矩特性曲线。发现气流绕过阀板边缘时发生边界分离,阀板背面产生涡旋;随着阀门开度变大,力矩呈现单调递增的规律,在阀板开度为70°左右时阀板两侧面对阀板轴的合力矩达到最大,之后力矩开始单调递减,开度为90°时合力矩接近零。

  蝶阀作为一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。

蝶阀结构示意图

图1 蝶阀结构示意图

  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Nataraj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Dalton研究了可压缩流体在对称蝶阀中的压力及力矩特性;He等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,提出了一种复杂结构的蝶阀的新工艺;Park和Song用数值方法研究了中心对称蝶阀的三维流动特性;Chern和Wang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一定的参考价值,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,探讨分析蝶阀压力场、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。

1、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=10D。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1mm。图2为阀板开度为40°时的网格模型,网格总数量约为1.3×105。其他角度的网格模型与之类似,只是网格数量略有不同。

阀门开度为40°时的网格模型

图2 阀门开度为40°时的网格模型

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70°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90°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。

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