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對于大型輸水工程中的蝶閥來說，其主要特點(diǎn)在于口徑大、流量大。為降低輸水過程中的能量損耗，提高輸水效率，必須設(shè)法降低蝶閥的壓力損失，提高流量系數(shù)。

    1 計(jì)算模型

    1.1 幾何建模

    首先采用Solidworks軟件對蝶板進(jìn)行了三維造型（見圖1）。蝶板底部直徑為3.4m。蝶板上部設(shè)計(jì)為拱形結(jié)構(gòu)，拱形內(nèi)部設(shè)計(jì)有若干格柵以提高水的過流面積。拱形兩側(cè)各有一個(gè)凸臺用于安裝蝶板的轉(zhuǎn)軸。

 

圖1 原型蝶板的三維造型

    初步分析認(rèn)為，拱形兩側(cè)的凸臺可能會引起流動的紊亂，因此將其改造成流線型，其三維造型見圖2。

 

圖2 改進(jìn)型蝶板的三維造型

    1.2 計(jì)算建模

    計(jì)算模型采用三維N-S方程及標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。其主控制方程為：

    式（1）中，Q為守恒變矢量；f，g，h分別為3個(gè)坐標(biāo)方向的通量，分別表示為式（2）~式（5）：

    

    其中應(yīng)力項(xiàng)為第2頁式（6）。

    采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行求解，具體方程見第2頁式（7）和式（8）。式（7）和式（8）中G_k為湍流動能，ε為湍流動能耗散率，σ_k和σ_ε分別為k和ε的Prandtl數(shù)，

        （6）

        （7）

        （8）

        （9）

    其中S為平均應(yīng)變速度張量的模量，μ_t為湍流黏度，

        （10）

    模型中的各常數(shù)取值如下：

    C_1ε=1.44，C_2ε=1.92，C_μ=0.09，σ_k=1.0，σ_ε=1.3。（11）

    計(jì)算條件：流動入口速度5m/s，入口壓力100kPa。

    2 計(jì)算結(jié)果及分析

    按閥前入口流速5m/s、入口壓力100kPa計(jì)算，采用動網(wǎng)格技術(shù)獲得了蝶板動態(tài)過程中的流場變化（見圖3）。

 

圖3 閥門開啟過程流態(tài)變化

    計(jì)算也給出了改進(jìn)前后兩種蝶板在水平（即全開）狀態(tài)下的繞流流線圖和壓力云圖（見圖4、圖5，第3頁圖6、圖7）。從流線圖可以看出，原型閥門蝶板附近的流動比較紊亂，而改進(jìn)后的流動則較為光順。反映到壓力上，從壓力云圖可以看出，改進(jìn)前后的壓力梯度具有明顯不同。原型蝶板在兩側(cè)凸臺和外側(cè)筋板上有明顯的壓力集中，容易造成結(jié)構(gòu)損壞，而改進(jìn)后蝶板的壓力分布則較為均勻。

 

圖4 原型蝶板流線（速度量）

 

圖5 改進(jìn)型蝶板流線（速度量）

 

圖6 原型蝶板壓力云（表壓）

 

圖7 改進(jìn)型蝶板壓力云（表壓）

    從計(jì)算結(jié)果看，改進(jìn)后的蝶板具有“大流量系數(shù)、小壓力損失”的明顯優(yōu)點(diǎn)。

    更具有工程實(shí)際意義的數(shù)據(jù)是流量系數(shù)和壓力損失系數(shù)，本文的計(jì)算也分別給出了改進(jìn)前后的相關(guān)結(jié)果（見表1）。

表1 蝶板改進(jìn)前后的壓力系數(shù)和流量系數(shù)

 

    從表1的計(jì)算結(jié)果可以看出，改進(jìn)后蝶板的阻力降低約30%，壓差降低9%，壓力損失系數(shù)降低約9%，而流量系數(shù)則增加了5%。

    3 經(jīng)濟(jì)性分析

    該蝶閥閥板采用鑄造工藝成型。改進(jìn)后材料費(fèi)增加約5%，加工工藝沒有太大的變化，總的制造成本略有增加。但改進(jìn)后的閥門因具有流線形的兩側(cè)凸臺，其結(jié)合部位的應(yīng)力集中情況得到很大改善，在大載荷工況下不易發(fā)生破壞，使得閥門故障率明顯降低，壽命則明顯延長；而且降低了輸水過程中的能量損耗，提高了工作效率。相比較而言，制造成本的增加*可以忽略不計(jì)。