近年来，随着计算机和CFD技术的发展，发达国家已经在
调节阀的研究与开发中运用CFD技术进行设计方案的改进，但我国目前对
蝶阀的研究主要集中在机械方面，从水力的角度对大口径蝶阀内部流场研究较少，使得设计和使用蝶阀处于半试验状态。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。
本文通过商用CFD软件FLUENT，对某钢铁集团新区用的DN1400大口径蝶阀在不同工况下的流场进行了数值模拟，以流体在蝶阀阀板不同开度下的流动分析结果为依据，通过改变阀板结构，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、数值模拟
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湍流模型构成封闭的方程组来求解。
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L
1=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。如图1所示，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。
3、计算方法
采用不可压缩流动的雷诺时均方程组，湍流模型采用标准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%三种典型工况，来模拟阀门全开，半开和微开三种典型状态。
1、改进前蝶阀内流道的流场分析
如图2所示，蝶阀全开时，流速分布较均匀，整个流态相当平稳，但由于阀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。如果结合压力图来看，在横向筋板表面存在负压，局部的压力梯度较大，这就造成了横向筋板处的受力情况较差。
蝶阀开度为45%时，如图3所示，由于阀板的阻隔，流速分布呈明显不均匀性，在上下两处的过流区域，流速明显增加，并形成涡流。速度较大区域集中在上下两处阀板附近的过流区域部分，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，在阀板背面靠下部分形成旋涡。
如图4所示，蝶阀开度为10%时，阀板前部流速几乎为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。阀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布
为了改善蝶阀流程状况，减少过流损失，对蝶阀阀板作了局部改进。在不影响阀板刚度的前提下，在阀板前后的横向肋板上，开长方形过流孔，希望提高流场情况。
图5为改进后蝶阀100%开度时流场速度分布，此时为蝶阀全开，流速分布较均匀，呈上下对称态势。过流比较顺畅，整个流态平稳，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。局部水力损失明显减小。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。如果结合压力图来看，局部的压力梯度明显减小。流场的最高流速对比改进前数值上有所降低。
如图6所示，蝶阀开度为45%时，改进后的蝶阀背部涡流几乎消失，阀板下部涡流区域明显减小，上部涡流区域向远离阀板方向偏移。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。
图7为改进后蝶阀10%开度时流场速度，此时蝶阀开度为10%，阀板背面形成两个小涡流。流场的最高流速减小。能量损失减小。
3、阀门流阻系数的对比
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表示。即有：
式中 Δp———被测阀门的压力损失，MPa
ζ———阀门的流阻系数
ρ———流体密度，kg/mm
3 u———流体在管道内的平均流速，mm/s
因此可以反推出流阻系数的计算公式ζ=（2Δp）/（u
2ρ）；阀门流阻系数的计算见表1（表中数据来源于数值模拟计算的结果）。
三、结论
（1）从数值模拟的情况看，大口径蝶阀过流性能较好，尤其在100%～45%开度之间时，过流状态良好。在开度小于于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。在阀板开过流孔之后，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）阀板开过流孔后，阀板流阻系数明显减小，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，约为7%～7.6%。这是因为过流孔对过流面积的影响减弱。因此，在不影响阀板强度的情况下，在腹板上开出过流孔，对减小流阻，提高过阀效率，还是很有好处的；
（3）开过流孔后，阀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，阀板受力更均匀，改善局部应力状态，提高阀门使用的安全性；
(4)改进后阀门流速和应力分布较前合理，流阻系数优于原型阀门。从模拟情况分析，改进后的阀板45%以下开度时，水流冲击区域加大，对管道的影响减弱，达到了优化的效果，对阀门的优化设计有一定的指导意义。
参考资料
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