基于SolidWorks Flow Simulation的蝶式止回閥蝶板數值仿真及結構對比

劉曉凱+吉元鑫

運用計算流體分析軟件 SolidWorks Flow Simu lation，對蝶式止回閥進行定常流動數值模擬仿真，獲得閥門在不同開度下內部流場的壓力場和速度場。在相同工況下，對比平板式蝶板和導流式蝶板對閥門內部流場的壓力分布、速度分布和速度流線圖的影響。結果表明：在相同的工況下，導流式蝶板的流阻小于平板式蝶板、流通能力優于平板式蝶板；流體對導流式蝶板產生的動水力矩大于平板式蝶板，使蝶板能達到更大開度，降低管網損耗。

一、引言

蝶式止回閥（以下簡稱止回閥）由于結構簡單、重量輕、流阻小且維護方便在泵站輸水系統中大量應用。在一般工業供水系統中，設備功率的消耗主要是克服閥門、管件的阻力損耗。止回閥安裝在泵的出口處，蝶板的開啟由流體驅動，蝶板的結構形式及開啟的角度對水泵功率的損失有直接影響。

本文運用 SolidWorks Flow Simulation對公稱通徑DN800、公稱壓力 PN10的止回閥在不同開度下平板式蝶板和導流式蝶板的內部流場進行了數值仿真，通過對比分析不同結構形式的蝶板對閥內部流場的影響，探討在設計中減小止回閥的流阻，增大蝶板開啟角度的最優結構，為止回閥的優化設計提供相應的依據。

二、止回閥的結構

止回閥的結構如圖1 所示，它具有兩個偏心，由圖中的a、b 表示，其中，a 為第一偏心，表示蝶板回轉中心與止回閥密封面之間的軸向距離；b 為第二偏心，表示蝶板的回轉中心與閥體中線線之間的軸向距離。由于第二偏心的存在，使蝶板能夠快速脫離閥座并達到最大開度。

三、止回閥內部流場的數值仿真

1. 控制方程

止回閥內部流體流動狀態非常復雜，可視為湍流三元定常流動，使用不可壓縮流動的雷諾方程組與標準κ -ε 湍流模型，流動的介質為水，常溫20℃。

2. 止回閥模型、初始條件及網格劃分

建立止回閥的三維模型， 根據“GB/T30832-2014閥門流量系數和流阻系數試驗方法”的規定，取止回閥的閥前管道長度 L1=5D（D為管道直徑），閥后管道長度 L2=10D，作為流體計算區域。采用速度進口邊界條件 V=2m/s和自由出口邊界條件，忽略重力對流場的影響。采用結構網格有限體積法對控制方程組進行離散，在計算過程中，運用自適應網格技術對流場進行調整使其更準確的模擬流動。兩種蝶板的三維模型如圖 2所示，流場計算域如圖 3所示。

四、止回閥內部流場數值仿真及結果分析

通過對兩種結構形式蝶板在不同開度下內部流場的數值仿真，得到相應的壓力場分布圖、流場分布圖和流線分布圖。圖 4為兩種結構形式的蝶板在 30°、60°和 90°開度下壓力場的分布圖。

1.平板式蝶板內部流場分析

平板式蝶板的內部流場如圖 4所示，蝶板開度為 30°時，蝶板前后側壓力分布不均勻，管道平均流速很小，由于鈍體擾流作用，蝶板軸轂背水面開始產生漩渦；在蝶板開度為60°時，蝶板前后側壓力逐漸平穩，流速明顯減小，低壓區域主要集中在蝶板軸轂背水面，并形成漩渦，對蝶板產生較大的擾動；在蝶板開度為 90°時，蝶板前后側壓力分布比較均勻，由于蝶板軸轂對流體的阻礙，軸轂迎水面壓力大，流速低，軸轂和閥體之間的狹窄通道流速最大，壓力最小，軸轂背水面壓力逐漸升高使流體獲得與主流反向的加速度，由于流體的逆向運動，在蝶板背部產生漩渦，消耗流體的機械能，增大阻力損失。

2.導流式蝶板內部流場分析

導流式蝶板的內部流場如圖 4所示，蝶板開度為 30°時，蝶板上游側和下游側壓差很大，管道平均流速很小，蝶板邊緣和閥體的狹小通道流速很大，由于導流體的導流作用，蝶板背部沒有產生漩渦，導流體背水面流態比平板式蝶板軸轂背水面平穩；在蝶板開度為 60°時，蝶板前后側壓力逐漸平穩，流體流過導流體后，蝶板上下游側壓力變化不大，流速相對平穩，沒有產生漩渦；在蝶板開度為90°時，壓力和速度分布均勻，流態平穩，導流體的迎水面和背水面壓力差很小，流速平穩，沒有漩渦的形成，阻力損失比平板式蝶板小。

3.流阻系數 ζ

流阻系數表征閥門的流通能力，流阻系數越小，流經閥門時的壓力損失越小，管網消耗的功率也越小，流阻系數 ζ為：

式中， ζ為流阻系數；Δ p為壓力損失，水流經閥門的壓力降，Pa； ρ為介質密度，kg/m 3；v為介質速度，m/s。蝶板不同開度下，兩種不同結構形式蝶板的止回閥流阻系數如表所示。

由表可以看出，平板式蝶板和導流式蝶板相比，在蝶板開度小于 30°的情況下，導流式蝶板的流阻大于平板式蝶板；隨著閥門開度的增加，當蝶板開度大于 40°時，導流式蝶板的流阻小于平板式蝶板，流阻最大減小幅度達到了 23.5%，流通能力優于平板式蝶板。止回閥在工作中蝶板都處在大開度的位置，因此，導流式蝶板的節能效果優于平板式蝶板。

4.動水力矩 Td

動水力矩是止回閥設計的一個重要參數，在泵的揚程和流量不變的情況下，作用在蝶板上的動水力矩越大，止回閥的開啟角度越大，流阻越小。通過計算兩種結構形式蝶板不同開度下的動水力矩，得出止回閥的最大開度。動水力矩 Td為：

Td =Cm·Δp ·D3式中， Td為動水力矩，N·m； Cm為動水力矩系數，無量綱常數；Δ p為壓力損失，水流經閥門的壓力降，Pa； D為閥門公稱通徑，m。在 SolidWorks Flow Simulation求解目標中，插入表面目標，在“選擇”對話框中選擇蝶板的所有外表面，在“參數”對話框中選擇“扭矩（坐標軸）”，在“結果”的“目標圖”中得到流體對蝶板的動水力矩。蝶板在不同開度下，兩種不同結構形式蝶板的止回閥動水力矩如圖 5中所示。從圖 5中可以看出，兩種結構形式的蝶板從關閉到開啟的過程中，動水力矩呈單調遞減的規律，在小開度的情況下，由于蝶板上下面壓差很大，對蝶板產生的動水力矩也就很大，隨著角度的逐漸增大，蝶板的上下面壓差逐漸減小，在蝶板全開 90°時最小。在蝶板的不同開啟角度，流體對導流式蝶板產生的動水力矩大于平板式蝶板，這是因為導流式蝶板的剖面為翼型，蝶板背部的導流體比較突出，流通截面比平板式蝶板小，流速快，壓力低，相比平板式蝶板能產生更大的動水力矩。

五、結語

通過分析上述兩種不同結構形式在不同開度下的內部流場，可以得出兩個結論。

（1）在止回閥蝶板開度大于 40°時，導流式蝶板的過流特性優于平板式蝶板，流體流經導流式蝶板后產生的漩渦少，對流體擾動小，流阻系數小于單平板蝶板。

（2）在蝶板的不同開度下，瞬態分析兩種蝶板在相同工況下的動水力矩，結果表明流體對導流式蝶板產生的動水力矩大于平板式蝶板。由于止回閥的開啟完全由流體提供動力，采用導流式蝶板的設計能增大止回閥的開啟角度，降低管網損耗，提高水泵的效率。 IM