本页关键词：进口蝶阀,进口电动蝶阀, 进口气动蝶阀

随着蝶阀技术的进步和使用范围的扩大，基于使用经验设计蝶阀已不能满足设计要求。数值计算技术的发展和流固耦合理论（用于研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响交互作用）的不断成熟，为解决实际的工程问题提供了平台。本文采用ANSYS进行蝶阀流固耦合计算，利用ANSYSFluent计算蝶阀的流场，研究流场结构，应用ANSYS进行蝶板受力分析，对受力集中区域进行改进，优化蝶板结构设计。

2 理论分析

2.1 流场计算

粘性流体流动的控制方程为质量守恒方程和动量守恒方程，以有限体积表达形式描述的流体动力学输运方程为

    （1）

式中 

Φ———通用变量，可以分别代表三个方向的速度等求解变量

ρ———流体密度

U———计算时某一方向的速度

Γ_Φ———广义扩算系数

S_Φ———广义源项

流场计算采用全隐式求解，湍流模型选择标准模型。

2.2 结构动力学方程

瞬态动力学分析是用于确定承受任意的随时间变化载荷的结构动力学响应的一种方法，其基本运动方程为

    （2）

式中    M———质量矩阵

C———阻尼矩阵

K———刚度矩阵

F（t）———作用在结构上由流体施加的荷载，表现为表面压力和剪应力

———节点加速度矢量

———节点速度矢量

{u}———节点位移矢量

对流体和固体的耦合面，由于表面所受流体施加的剪应力量值非常小，且结构本身对剪应力反应不敏感，因此可以忽略剪应力影响，而只考虑垂直于表面的流体压力作用。值得注意的是，流体阻尼包含在方程的右边项中，不包括在阻尼矩阵C中。

2.3 网格和边界条件

蝶阀（图1）数值计算时应对蝶阀区域进行延长。应用三维计算流体动力学（ComputationalFluidDynamics－CFD）计算时，蝶阀前后延长段分别为5D和10D（D———特征长度，取管道内径）。以蝶阀开启45°进行计算。由于蝶阀的对称性，只对计算区域的一半进行建模。网格采用ANSYS软件的自动网格，增加边界层网格和蝶阀区域局部加密网格，并且在计算中自适应网格（图2）。流场计算的入口给定流速，出口给定压力，中间面采用对称边界条件，管壁面和蝶板表面取无滑移边界条件，其他采用Fluent的默认值或推荐值。流固交界面为蝶板的表面，流场计算的压力作为面载荷施加到蝶板表面。阀杆的两端采用圆周固定边界条件。

图1 蝶阀

图2 蝶阀流场计算网格

3 设计应用

3.1 参数设置

取管道内径D=200mm，阀门上游管道长度L₁=6D=1200mm，下游管道长度L₂=10D=2000mm，管道内流体温度为室温T=288K，流体密度ρ=1000.5kg/m³，运动粘性系数ν=1.0×10^-6m2/s。

从蝶板中心截面附近的压力场和速度场分布图3和图4）可以看出，最高压力出现在蝶板前缘偏下的位置。

图3 蝶板附近压力场

图4 蝶阀附近速度场

3.2 流固耦合计算

在Fluent中计算出流场后，通过FSI模块将压力场作为压力载荷导入ANSYS（图5）。应用AN-SYS进行蝶板受力分析（图6和图7）。蝶板的最大变形出现在蝶板前缘，因为流体在蝶板前缘流速最快，蝶板承受流体的冲击最大。蝶板最大等效应力位于阀杆与蝶板接触处的上沿，达到3.67×10⁷Pa。

图5 导入压力载荷

图6 蝶板变形

图7 等效应力

3.3 结构改进

根据分析结果证明，蝶板最大等效应力出现在阀杆与蝶板接触处的上沿，将阀杆与蝶板接触处加厚（图8），再采用同样的计算条件进行流场计算和耦合计算（图9和图10），此时，蝶板变形量和等效应力明显减小，达到了设计优化的目的。

图8 设计修改

图9 修改蝶板变形

图10 修改蝶板等效应力

4 结语

将蝶板与阀杆连接处加厚，使蝶板最大变形降低了约13%，等效应力降低了约9%。流固耦合计算可发现原设计的弱点，并进行相应的改进，为阀门的设计优化提供了方便

http://www.dghwvalve.com/index.asp