蝶閥是工業(yè)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域常見(jiàn)的閥門(mén)，主要起切斷和節(jié)流作用。蝶閥啟閉件是一個(gè)圓盤(pán)形的閥板，在閥體內(nèi)繞自身軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到啟閉或調(diào)節(jié)的目的。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件的發(fā)展，越來(lái)越多的人利用數(shù)值計(jì)算的方法分析蝶閥內(nèi)部三維流動(dòng)特性，如壓力流速分布、分離流動(dòng)區(qū)域等。袁新明等數(shù)值模擬研究了閥門(mén)的阻力特性；諸葛偉林等采用基于非結(jié)構(gòu)、非交錯(cuò)網(wǎng)格的有限體積法求解用兩方程模型封閉的雷諾平均N-S方程組，對(duì)蝶閥的三維分離流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出蝶閥的流動(dòng)阻力系數(shù)隨著蝶閥關(guān)閉角度的增大呈指數(shù)性增長(zhǎng)的結(jié)論；沈新榮等針對(duì)自行開(kāi)發(fā)的一類(lèi)安裝配流板的新型電動(dòng)蝶閥模型，進(jìn)行了三維數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)不同開(kāi)度下電動(dòng)蝶閥的三維湍流流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算；劉健等對(duì)大口徑蝶閥運(yùn)用商用流體計(jì)算軟件FLUENT，對(duì)其不同開(kāi)度情況下的流場(chǎng)形式進(jìn)行了三維數(shù)值模擬分析；劉華坪等利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)管路中常見(jiàn)的閥門(mén)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬；HuangandKim使用三維數(shù)值模擬技術(shù)分析了在蝶閥內(nèi)部的不可壓縮的流體的流動(dòng)狀況，并給出了分析后的速度場(chǎng)圖和應(yīng)力分布圖；LinandSchohl分析了CFD在蝶閥領(lǐng)域的應(yīng)用；黃國(guó)權(quán)等利用CFD軟件FLUENT對(duì)中心型蝶閥流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，定性給出了閥門(mén)在不同開(kāi)度下重要部位的受力情況，比較直觀地給出了閥門(mén)在不同工況下流道內(nèi)部的速度分布，得到了渦流的形成過(guò)程，及速度對(duì)渦流形成及擴(kuò)展的影響；類(lèi)似的研究工作還有許多。這些研究對(duì)于指導(dǎo)蝶閥的設(shè)計(jì)、改善其流動(dòng)狀況、減小流動(dòng)阻力具有非常重要的意義。
對(duì)于大口徑蝶閥，由于其在應(yīng)用時(shí)需承受較大的流體壓力，其閥板容易產(chǎn)生變形而降低工作可靠性。因此，往往需要設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋增加閥板強(qiáng)度。目前，加強(qiáng)筋的分布形式主要有“＃”形、“◇”形和“//”形三種（圖1）。

工程實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，不同形狀加強(qiáng)筋對(duì)流經(jīng)閥門(mén)流體流動(dòng)特性的影響不一樣。為揭示其影響的內(nèi)在規(guī)律，利用流體動(dòng)力學(xué)分析軟件，以RANS方程為控制方程，采用標(biāo)準(zhǔn)的紊流模型（k-ε模型）和壓力耦合方程組的半隱式方法（SIMPLE算法），給出了在100%開(kāi)度下閥板表面三種典型的筋板分布形式對(duì)閥門(mén)流動(dòng)特性的影響規(guī)律。

數(shù)值計(jì)算條件設(shè)置：控制方程

擇單相流體的不可壓縮三維粘性流動(dòng)模型，采用不可壓縮流動(dòng)的雷諾方程組與k-ε湍流模型構(gòu)成封閉的方程組來(lái)描述，如式（1）所示。

式中：ρ為密度；為壓力；k為湍流動(dòng)能；ε為湍流動(dòng)能耗散率；為速度矢量；xi和xj為坐標(biāo)參數(shù)；v為湍流粘度；vt為湍流粘性系數(shù)；Gk和Gε為由平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能及湍流動(dòng)能耗散率的產(chǎn)生項(xiàng)；cμ、σε、σk、c1、c2為常數(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中，cμ＝0.09，σε＝1.3，σk＝1.0。

數(shù)值計(jì)算條件設(shè)置：計(jì)算條件

采用不可壓縮流動(dòng)的雷諾時(shí)均方程組，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型；所有方程中的對(duì)流項(xiàng)均用二階迎風(fēng)格式離散，離散方程的求解采用壓力耦合方程組的半隱式方法（SIMPLE算法）。連續(xù)性方程和動(dòng)量方程收斂殘差標(biāo)準(zhǔn)均為10-3。進(jìn)口邊界條件為速度進(jìn)口，進(jìn)口速度設(shè)1.0m/s。出口邊界條件定為自由流動(dòng)，其他邊界條件均為固壁；計(jì)算中忽略重力對(duì)流場(chǎng)的影響；全流場(chǎng)計(jì)算定常流動(dòng)，得到蝶閥內(nèi)流場(chǎng)的詳細(xì)分布情況。選取蝶閥及其前后一段管道作為計(jì)算域，流動(dòng)方向?yàn)閤軸正向。采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，將蝶閥閥板及尾跡區(qū)域的網(wǎng)格局部加密，以確保網(wǎng)格質(zhì)量和求解精度。

結(jié)果分析：閥板無(wú)量綱流體阻力比較

在相同計(jì)算條件下，對(duì)閥板三種典型的加強(qiáng)筋形狀產(chǎn)生的無(wú)量綱流體阻力進(jìn)行比較，如圖2所示，數(shù)值為正說(shuō)明產(chǎn)生的是阻力，數(shù)值越大則閥板對(duì)流體的阻力越大。從計(jì)算結(jié)果可以看出：三種加強(qiáng)筋導(dǎo)致閥板受到的流體阻力大小不同，阻力從大到小依次為“＃”形、“◇”形和“//”形。進(jìn)一步從閥板表面壓力分布情況以及流體流經(jīng)閥板后流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)和形態(tài)改變情況進(jìn)行深入分析，揭示導(dǎo)致差異的本質(zhì)原因。
圖2 相同條件下不同加強(qiáng)筋形狀產(chǎn)生的無(wú)量綱流體阻力

結(jié)果分析：壓力分布情況比較

圖3為三種典型加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)形成的閥板表面三維壓力分布云圖和截面壓力分布云圖。

對(duì)于閥板而言，三種情況形成的高壓區(qū)基本上集中于閥板前部迎水面處，以中間逐漸向兩側(cè)減小，直至閥板背面形成低壓區(qū)，并且壓力達(dá)到最小。而對(duì)于閥板上的加強(qiáng)筋而言，壓力分布形態(tài)則有所不同：“//”形加強(qiáng)筋的高壓區(qū)集中于前端面，低壓區(qū)集中于后端面；“◇”形加強(qiáng)筋的高壓區(qū)集中于菱形的前角區(qū)域附近，而壓力最小值位于菱形上下兩側(cè)尖角后側(cè)區(qū)域附近；“＃”形加強(qiáng)筋的高壓區(qū)較為分散，而低壓區(qū)主要分布于豎直筋條的后緣區(qū)域。加強(qiáng)筋上壓力分布形態(tài)的差異是造成閥門(mén)流體阻力不同的根本原因之一。

結(jié)果分析：流體速度矢量及流線(xiàn)分布情況比較

從流體流經(jīng)三種加強(qiáng)筋形成的速度矢量及流線(xiàn)分布圖（圖4）可以看出：“//”形加強(qiáng)筋對(duì)流體的流動(dòng)影響最小，流線(xiàn)進(jìn)過(guò)加強(qiáng)筋后流動(dòng)方向基本上未發(fā)生明顯的改變，流動(dòng)分離現(xiàn)象并不明顯，流阻較小；“＃”形加強(qiáng)筋對(duì)流體的流動(dòng)影響最大，流線(xiàn)經(jīng)過(guò)加強(qiáng)筋后被截?cái)啵⒃诩訌?qiáng)筋內(nèi)部形成卡門(mén)漩渦，對(duì)流體阻礙作用最大。而流線(xiàn)經(jīng)過(guò)“◇”形加強(qiáng)筋后會(huì)在上下兩側(cè)尖角之后形成一定的分離，但是對(duì)流體的阻礙作用沒(méi)有“＃”形加強(qiáng)筋的強(qiáng)烈。


圖4 流體速度矢量及流線(xiàn)分布情況

結(jié)果分析：結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值模擬，研究了閥板在100%開(kāi)度下其表面三種典型的筋板分布形式對(duì)流經(jīng)閥門(mén)流體的流動(dòng)特性的影響規(guī)律。通過(guò)對(duì)無(wú)量綱流體阻力進(jìn)行比較以及表面壓力分布情況和流體速度矢量及流線(xiàn)分布情況等方面的分析。得出在滿(mǎn)足閥板強(qiáng)度要求的前提下，采用對(duì)稱(chēng)性“//”形筋板分布有利于減少閥門(mén)的流體阻力和動(dòng)力水頭損失并且增加流量的結(jié)論。