基于CFX的低溫蝶閥流場(chǎng)分析

師麗俠，韓杰，黃正權(quán)

（常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164）

0 引言

閥門新產(chǎn)品投入生產(chǎn)前，需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)，對(duì)新產(chǎn)品的各項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)試，不斷對(duì)樣品進(jìn)行改進(jìn)，從而最大限度地滿足市場(chǎng)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(jì)算機(jī)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(jì)、研究何驗(yàn)證的一種必然趨勢(shì)，其發(fā)展和廣泛應(yīng)用，給企業(yè)的生產(chǎn)和制造解決實(shí)際問題帶來(lái)很大的便利，使傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法和生產(chǎn)組織模式發(fā)生巨大的變革，在滿足設(shè)計(jì)需求的前提下，縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期、減少樣品驗(yàn)證、降低成本、增強(qiáng)客戶滿意度、增強(qiáng)市場(chǎng)應(yīng)變能力等，使企業(yè)在市場(chǎng)上更具有競(jìng)爭(zhēng)力。本研究對(duì)選用某閥門企業(yè)的蝶閥做了不同工況下流場(chǎng)分析模擬，運(yùn)用ANSYS CFX軟件對(duì)閥門進(jìn)行模擬仿真分析計(jì)算可以縮短試驗(yàn)設(shè)計(jì)流程，實(shí)現(xiàn)閥門優(yōu)化設(shè)計(jì)的快速反饋，減少物理樣機(jī)的試驗(yàn)和設(shè)計(jì)成本。

1 蝶閥

蝶閥是眾多閥門產(chǎn)品中的一種，在機(jī)械工程中廣泛使用，特別是在流體運(yùn)輸管路中應(yīng)用廣泛，蝶閥產(chǎn)品在實(shí)際工程應(yīng)用中能提供較小的流體阻力，隨著技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，以及對(duì)產(chǎn)品的不斷改進(jìn)升級(jí)，已有成熟的設(shè)計(jì)理論與方法可供借鑒和參考[1]。蝶閥通過閥桿運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)蝶板轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)做啟閉的一種閥門，主要通過蝶板的旋轉(zhuǎn)開度來(lái)控制流量，改變蝶板的角度來(lái)調(diào)節(jié)流量，當(dāng)?shù)彘_啟角度為90°時(shí)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(lái)，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(zhǔn)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(qiáng)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(duì)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(shí)根據(jù)旋轉(zhuǎn)閥桿通過圓錐銷同時(shí)帶動(dòng)蝶板轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制流體流量，通過蝶板旋轉(zhuǎn)角度的改變來(lái)控制流量，蝶板旋轉(zhuǎn)角度為0°～90°，角度為0°時(shí)，蝶閥處于全關(guān)閉狀態(tài)，開啟角度為90°時(shí)，閥門處于全開狀態(tài)。通過對(duì)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(yùn)用Solidworks軟件創(chuàng)建蝶閥所有零部件，利用裝配體設(shè)計(jì)模塊，依據(jù)蝶閥二維裝配圖紙對(duì)蝶閥實(shí)體模型進(jìn)行組裝，在裝配過程中充分考慮蝶閥的現(xiàn)實(shí)工作條件，保證各零部件之間無(wú)干涉情況，蝶板與閥桿都只有一個(gè)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(duì)蝶閥內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)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(dǎo)入時(shí)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(zhǔn)確性。比較導(dǎo)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(dǎo)入前后蝶板旋轉(zhuǎn)45°時(shí)的流體域三維模型。

圖3 導(dǎo)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(dǎo)入ANSYS CFD模塊中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量?jī)?yōu)劣會(huì)影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)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(huì)影響計(jì)算結(jié)果的收斂從而導(dǎo)致無(wú)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(diǎn)，溫度梯度大，壁面附近是流動(dòng)阻力和熱流的密集區(qū)域。針對(duì)邊界層的流動(dòng)特點(diǎn)，本研究采用三棱柱和四面體網(wǎng)格相結(jié)合進(jìn)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(wàn)左右。如圖4所示。

圖4 閥板開啟90°時(shí)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(chǎng)的介質(zhì)為水，在CFX求解器的數(shù)據(jù)庫(kù)中插入水的物理屬性，設(shè)置流動(dòng)模型為三維不可壓縮非黏性流動(dòng)，選擇不可壓縮流動(dòng)的雷諾時(shí)均方程組與k-ε湍流模型構(gòu)成封閉的方程組來(lái)計(jì)算求解。

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

（2）出口邊界條件：出口壓強(qiáng)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(chǎng)，蝶閥壁面附近流場(chǎng)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(shí)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(duì)蝶閥不同工況下的流場(chǎng)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(shí)，閥內(nèi)進(jìn)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(duì)稱，水流方向一致，局部損失小，整體來(lái)說管道內(nèi)流場(chǎng)分布比較均勻，流態(tài)平穩(wěn)。

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

當(dāng)?shù)y處于完全打開狀態(tài)時(shí)，為進(jìn)一步驗(yàn)證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)蝶閥內(nèi)部壓強(qiáng)和流速之間的關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 壓強(qiáng)與速度曲線圖

由圖7壓強(qiáng)與速度的曲線圖可以看出，在閥體內(nèi)部流體域的壓強(qiáng)與速度成反比，即流體剛進(jìn)入閥體內(nèi)部時(shí)，由于蝶板的阻擋引起流速減慢，壓強(qiáng)增大。符合在閥體內(nèi)壓強(qiáng)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(dòng)介質(zhì)在蝶板開啟45°工況下蝶閥型腔內(nèi)部流過時(shí)的速度情況，在水流過閥板前部時(shí)由于截面積瞬間減小引起流速也瞬間減小，導(dǎo)致蝶板前后產(chǎn)生壓力差，此時(shí)的壓力差與蝶閥開度為30°時(shí)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(duì)管壁會(huì)造成較大的沖擊。由于蝶板的下方存在局部低壓區(qū)，導(dǎo)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(duì)比

在對(duì)蝶閥開啟45°和90°分析的同時(shí)，也對(duì)蝶閥在開啟30°、60°工況時(shí)進(jìn)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(duì)蝶閥的影響。通過對(duì)不同工況的模擬分析，可以得出：

（1）蝶閥開啟小于45°時(shí)，由于蝶板在蝶閥中的阻擋，介質(zhì)在閥體內(nèi)部的流速會(huì)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(duì)較大，同時(shí)會(huì)形成渦流現(xiàn)象，此種狀態(tài)下，介質(zhì)的流速對(duì)管壁會(huì)造成較大的沖擊。由于蝶板的一側(cè)是承壓面，背水面會(huì)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(huì)向蝶板的下方折返，此時(shí)閥內(nèi)下部的流體介質(zhì)向上折流，從而會(huì)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(chǎng)速度云圖可以看到，當(dāng)?shù)y開啟角度減小時(shí)，閥體內(nèi)流場(chǎng)分布不均勻，流體所阻力大，流場(chǎng)相對(duì)比較復(fù)雜，蝶板的兩側(cè)區(qū)域流體速度會(huì)變大，在蝶板的迎水面會(huì)形成一個(gè)低速的渦流，蝶板的背面由于壓強(qiáng)差的原因會(huì)形成一個(gè)速度較高的漩渦，造成蝶閥內(nèi)部流體不穩(wěn)定，同時(shí)對(duì)下游段的流場(chǎng)影響較長(zhǎng)，當(dāng)閥門開啟度接近完全關(guān)閉時(shí)，閥門附近出現(xiàn)強(qiáng)烈旋渦。另外當(dāng)增加閥門的開啟角度時(shí)，閥門內(nèi)旋渦明顯減少，水流平穩(wěn)。

5 結(jié)語(yǔ)

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