蝶阀内部流场分析报告

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武汉大学科研项目研究报告蝶阀内部流场研究报告

动力与机械学院

二○一〇年十月

WORD文档参与人员

符向前冯卫民吴昊张斌

目录

一、蝶阀 (4)

二、CFD 仿真及软件 (5)

三、三维湍流理论 (6)

四、蝶阀流场计算 (8)

五、仿真结果及分析 (9)

阀门是一种通用性很强的流体机械。是流体工程系统中调节和控制流体，以

实现流体生产功能、确保工程安全的重要设备。然而，阀门这种外在的调控能力及特性，主要还是取决于其内部流场的结构及变化规律。受武汉大禹阀门制造有限公司的委托，我们将对其蝶式斜置密封多功能止回阀进行内部流场的结构分析

和机理研究，并在此基础上给出固有流量特性曲线、汽蚀性能曲线及一些特征参数。

一、蝶阀

蝶阀（图1）是一种常见的阀门，主要用于截断或接通介质流，在某些特殊

的情况下允许用来在一定范围内调控介质的流量和压力。它结构简单，维修方便；外形尺寸小，重量轻，适合较大口径；开启力小，开关较快；有调节性能，但不

精确。

图1 蝶阀

蝶阀的流阻特性等相关特性以往主要通过实验求得，随着计算流体力学和

计算机技术的发展，用数值计算的方法得到蝶阀的流阻特性已经成为可能。与实验方法相比，用计算流体力学对蝶阀的流动情况进行模拟不仅简便易行，而且还可以了解蝶阀内部流场的详细情况，如压力流速分布、分离流动区域等。对于指导蝶阀的设计、改善其流动状况、减小流动阻力具有重要意义。

大禹阀门厂的蝶式斜置密封多功能止回阀阀板采用流线型设计，流阻小，过流面积大；阀轴采用半轴形式，用楔销与阀板连结，牢固可靠；轴端密封采用自

紧式密封与可调式密封相结合的组合式密封，密封效果好；轴承采用复合材料的轴承，具有承载能力强，耐磨性好，摩擦阻力小等优点；主密封采用实心橡胶密

封安装于阀板上，密封严密可靠；长时间工作后还可方便地调整密封比压，更换也很方便；阀板与阀座的密封面为锥型，故阀门为斜置锥型密封形式，具有自密封性，密封效果好；同时，阀体短小，节省安装空间。

图2 蝶式斜置密封止回阀

二、CFD 仿真及软件

近几十年来计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics－CFD)的迅猛发展，计算机性能的飞速提高，CFD 被广泛地应用在科学研究和工程实践中。使

应用CFD 数值模拟技术对阀门内部流动进行计算机仿真成为可能。从某种意义

上说应用数值仿真的方法研究内部流场的流动规律，预测性能不仅系统全面、相对准确，而且周期短、费用少。应该特别指出的是当今CFD 的发展水平和生产应用的基础是成熟的理论研究、大量的科学实验和丰富的工程经验，其可信度和准确性是完全可以满足生产实际的要求的。

随着计算机硬件和软件技术的发展和数值计算方法的日趋成熟，出现了基于

现有流动理论的商用CFD 软件，从而使研究人员从编制繁杂、重复性的程序中

解放出来，以更多的精力投入到考虑所计算的流动问题的物理本质、问题的提法、边界（初值）条件和计算结果的合理解释等重要方面。这里我们采用的是Ansys 公司的商用CFD 软件FLUENT 。FLUENT 是目前国际上比较流行的商用CFD 大型软件包，在美国的市场占有率为60%。举凡跟流体，热传递及化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理

功能，FLUENT 是基于有限体积法的软件，可以计算的物理问题类型有：定常与非定常流动，不可压缩与可压缩流动，含有粒子╱液滴的蒸发、燃烧过程，多组

分介质的化学反应过程等。

在利用FLUENT 软件进行流体流动模拟计算时，先利用Pro/E 进行流动区域几何形状的构建，在利用Gambit 生成模型的边界类型以及网格，并输出用于FLUENT 求解器计算的格式，然后应用FLUENT 求解器对流动区域进行求解计算，并进行计算结果的后处理。

图3 FLUENT 软件的基本程序结构

三、三维湍流理论

流体运动所遵循的规律是由物理学三大定律规定的，即质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。这三大定律对流体运动的数学描述就构成了流体动力

学的基本方程组。

3.1 控制方程

泵站进水流道、出水流道中的实际流动是湍流。在定常条件下，采用k- ε湍流模型时，描述泵站进出水流道内的定常不可压缩流动的方程如下：

u i x i 0

连续方程：

(1)

动量方程：u

u

u 1 p u

j

i i

f [( v )(

j i t x

x x x x

j i j j i

)]

(2)

紊动能k 方程：u k k

i P

t

[( ) ]

r

x x x

i i k i

(3)

紊动能耗散率ε方程：

u

i x i x

i

[( ) ] (C 1P C 2

t r

x k

i

)

(4)

上面各式中，x i （i=1,2,3 ）为笛卡尔坐标系坐标，u i （i=1,2,3 ）为沿i 方向的速度分量，f i 为沿i 方向的质量力，p 为压力（实际上为压强，本文从工程习惯称为压力），ρ为水的密度，ν为水的运动粘性系数。Pr 为紊动能生成率，其表达式为：

u

u u

j

i i

P ( )

r x

t

x x

j i j

(5)

式中：

νt ──为涡粘性系数，可采用下式进行计算：

2

k

C t

(6)