近年来，
蝶阀以其结构简单、适合用于大中口径管道的结构特点得到了广泛的应用。伴随着近代工艺加工技术和材料工业的发展蝶阀的应用已远远超出传统范围，在一些工业领域已经替代过去常用的
闸阀、
截止阀、
旋塞阀和
球阀。所以开发适用于高参数工况并能够长周期运行的蝶阀产品，已经成为
调节阀制造业和使用部门共同关注的问题。设计大口径蝶阀不仅需要解决使用材料的材质问题而且需要精确了解
阀门的水力特性，从而为阀门改进设计提供依据。
随着计算机技术的迅猛发展，发达国家已经在阀门的研究与开发中运用CFD软件FLU2ENT技术进行设计方案的改进。目前，我国对蝶阀的研究主要集中在产品的机械制造及结构形式等方面，从水力的角度对大口径蝶阀内部流场研究投入较少，使得蝶阀设计和使用处于半试验状态。为了更加精确的分析大口径蝶阀的性能，运用数值模拟的方法分析其内部流场是十分必要的。本文运用CFD软件FLUENT技术，对某钢铁企业使用的DN1400大口径蝶阀在不同工况下的流场进行了数值模拟，以流体在蝶阀蝶板不同开度下的流动分析结果为依据，通过改变蝶板结构实现阀门的改进设计，对大口径蝶阀的优化设计有一定的指导作用。
一、流程分析
1、控制方程
设蝶阀内部流动介质为水，为简化计算，选择流动模型为单相流体的不可压缩三维粘性流动，采用不可压缩流动的雷诺方程组与k-ε紊流模型构成封闭的方程组来求解。
1）连续性方程
2、阀门流道模型及网格划分
以DN1400蝶阀为例，为保证流场的稳定性，取蝶阀及其前部管道L1=5D（D为管道直径）与其后部管道L
2=20D一同作为计算域。网格划分采用了非结构混合网格技术，利用FLUNENT软件包中的前处理软件GAMBIT强大的网格划分功能，保证了网格的质量，网格总数超过了60万。采用自适应的网格技术对流场进行调整使其模拟出更加精细的流动（图1）。
3、计算方法
采用不可压缩流动的雷诺时均方程组，紊流模型采用标准k-ε模型。所有方程中的对流项均用二阶迎风格式离散，离散方程的求解采用压力耦合方程组的半隐式方法（SIMPLE算法）。连续性方程和动量方程收敛残差标准均为10
-3。规定进口边界条件为velocity-inlet，给定管道进口速度u
in设为1.0m/s，出口边界条件定为自由流动。计算中忽略了重力对流场的影响。全流场计算了定常流动，得到了阀内流场的详细分布情况。
二、计算结果分析
为了研究阀门的流场特性，按照阀门开度为100%、45%和10%的3种典型工况，模拟阀门全开、半开和微开3种典型状态。
1、改进前蝶阀的流场分析
蝶阀全开时，流速分布较均匀，整个流态相当平稳，但由于蝶板上前后横向筋板的阻隔，造成水的流速增加，局部水力损失较大，造成一定的过阀损失。流速增加区域集中在前后横向筋板之间，对管壁形成一定的冲击。如果结合压力图分析，在横向筋板表面存在负压，局部的压力梯度较大，这样就造成了横向筋板处的受力情况较差。
蝶阀开度为45%时，由于蝶板的阻隔，流速分布呈明显不均匀性，在过流的上下区域，流速明显增加，并形成涡流。速度较大区域集中在蝶板附近的过流上下区域部分，形成对管壁的较大冲击。由于蝶阀背面存在局部低压区，从蝶阀上方越过的流体部分折向下流，从蝶阀下方流过的流体部分折向上流，在蝶板背面靠下部分形成旋涡。
蝶阀开度为10%时，阀板前部流速接近为0，水流几乎被堵住。上下两处的狭窄过流区域流速较快，但区域减小，且数值明显低于开度45%的情况。过流区域的涡流消失，背部的涡流区域流速增大。蝶板背面上部有二次涡流形成的趋势。
2、改进后蝶阀的流场分析
为了改善蝶阀流程状况，减少过流损失，对蝶阀蝶板作了局部改进。在不影响蝶板刚度的前提下，在蝶板前后的横向筋板上，开设长方形过流孔，以此改进流场情况（表1）。
蝶阀全开时，过流比较顺畅，流速分布较均匀，整个流态平稳，呈上下对称态势。前横向筋板流速增加情况和开过流孔前一样，但后筋板处流速无明显增加。局部压力损失明显减小。由于保证刚度的要求，过流孔开的不大，对后横向筋板处的流速造成一定影响。如果结合压力图分析，局部的压力梯度明显减小。改进后，流场的最高流速比改进前在数值上有所降低。
蝶阀开度为45%时，改进后的蝶阀背部涡流几乎消失，蝶板下部的涡流区域明显减小，上部涡流区域向远离蝶板方向偏移。流速的最大值比改进前降低很多。整个流场状况比改进前明显改善。说明过流孔还是有很好的作用的。
蝶阀开度为10%时，蝶板背面形成2个小涡流。流场的最高流速减小。能量损失减小。
3、流阻系数对比（表2）
流体通过阀门时，其流体阻力损失以阀门前后的流体压力降Δ
p表示。即
式中Δp———被测阀门的压力损失
ζ———阀门的流阻系数
三、结论
（1）从数值模拟结果分析，大口径蝶阀在100%～45%开度之间时，过流状态良好。在开度小于45%以后，背板产生漩涡。由于流道变窄，流体对过流处产生冲击。在蝶板开过流孔后，整体流速普遍减小，过流更顺畅，45%开度时的背板旋涡区明显减弱，过流冲击得到有效控制。
（2）蝶板开设过流孔后，阀门流阻系数明显减小，更加有利于水流的通过。100%开度时，过流孔对流阻系数的影响最大，约减小24%，效果明显。开度为45%～10%时，过流孔对流阻系数的影响相对减弱，为7%～7.6%。这是因为过流孔对过流面积的影响减弱。因此，在不影响蝶板强度的情况下，在腹板上开出过流孔，可以减小流阻并提高过阀效率。
（3）开设过流孔后，蝶板附近压力分布更均匀，局部压力梯度的强度减弱，从高压到低压的过渡区域更大，蝶板受力更均匀，改善局部应力状态，提高了阀门使用的安全性。
（4）阀门改进后，流速和应力分布较为合理，流阻系数优于原型阀门。从模拟情况分析，改进后的蝶板在小于45%的开度时，水流冲击区域加大，对管道的影响减弱，达到了优化阀门设计的效果。
参考资料
1、袁新明，毛根海，张士乔。阀门流道流场的数值模拟及阻力特性（J）。水力发电学报，1999（4）：60-66
2、王福军。计算流体动力学分析（M）。北京：清华大学出版社，2004。
3、韩宁。应用Fluent研究阀门内部流场（D）。武汉大学2005。
4、杨源泉。阀门设计手册（M）。北京：机械工业出版社，1992。
