利用ANSYS 軟件計算和分析了蝶閥的流場及其結(jié)構(gòu)，給出了蝶板的受力集中區(qū)域，并作了相應(yīng)改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計。

1、概述

　　隨著蝶閥技術(shù)的進(jìn)步和使用范圍的擴(kuò)大，基于使用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計蝶閥已不能滿足設(shè)計要求。數(shù)值計算技術(shù)的發(fā)展和流固耦合理論(用于研究變形固體在流場作用下的各種行為以及固體位形對流場影響交互作用) 的不斷成熟，為解決實(shí)際的工程問題提供了平臺。本文采用ANSYS 進(jìn)行蝶閥流固耦合計算，利用ANSYS Fluent 計算蝶閥的流場，研究流場結(jié)構(gòu)，應(yīng)用ANSYS 進(jìn)行蝶板受力分析，對受力集中區(qū)域進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化蝶板結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2、理論分析

　　2.1、流場計算

　　粘性流體流動的控制方程為質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程，以有限體積表達(dá)形式描述的流體動力學(xué)輸運(yùn)方程為

　　流場計算采用全隱式求解，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)模型。

　　2.2、結(jié)構(gòu)動力學(xué)方程

　　瞬態(tài)動力學(xué)分析是用于確定承受任意的隨時間變化載荷的結(jié)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)的一種方法，其基本運(yùn)動方程為

　　對流體和固體的耦合面，由于表面所受流體施加的剪應(yīng)力量值非常小，且結(jié)構(gòu)本身對剪應(yīng)力反應(yīng)不敏感，因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認(rèn)為可以忽略剪應(yīng)力影響，而只考慮垂直于表面的流體壓力作用。值得注意的是，流體阻尼包含在方程的右邊項(xiàng)中，不包括在阻尼矩陣C 中。

　　2.3、網(wǎng)格和邊界條件

　　蝶閥( 圖1) 數(shù)值計算時應(yīng)對蝶閥區(qū)域進(jìn)行延長。應(yīng)用三維計算流體動力學(xué)(Computational FluidDynamics - CFD) 計算時，蝶閥前后延長段分別為5D 和10D( D———特征長度，取管道內(nèi)徑) 。以蝶閥開啟45°進(jìn)行計算。由于蝶閥的對稱性，只對計算區(qū)域的一半進(jìn)行建模。網(wǎng)格采用ANSYS 軟件的自動網(wǎng)格，增加邊界層網(wǎng)格和蝶閥區(qū)域局部加密網(wǎng)格，并且在計算中自適應(yīng)網(wǎng)格(圖2) 。流場計算的入口給定流速，出口給定壓力，中間面采用對稱邊界條件，管壁面和蝶板表面取無滑移邊界條件，其他采用Fluent 的默認(rèn)值或推薦值。流固交界面為蝶板的表面，流場計算的壓力作為面載荷施加到蝶板表面。閥桿的兩端采用圓周固定邊界條件。

圖1 蝶閥

圖2 蝶閥流場計算網(wǎng)格

3、結(jié)語

　　將蝶板與閥桿連接處加厚，使蝶板最大變形降低了約13%，等效應(yīng)力降低了約9%。流固耦合計算可發(fā)現(xiàn)原設(shè)計的弱點(diǎn)，并進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，為閥門的設(shè)計優(yōu)化提供了方便。