利用ANSYS 軟件計(jì)算和分析了蝶閥的流場(chǎng)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(jì)。

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(jì)蝶閥已不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。數(shù)值計(jì)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(chǎng)作用下的各種行為以及固體位形對(duì)流場(chǎng)影響交互作用) 的不斷成熟，為解決實(shí)際的工程問(wèn)題提供了平臺(tái)。本文采用ANSYS 進(jìn)行蝶閥流固耦合計(jì)算，利用ANSYS Fluent 計(jì)算蝶閥的流場(chǎng)，研究流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用ANSYS 進(jìn)行蝶板受力分析，對(duì)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(jì)。

2、理論分析

　　2.1、流場(chǎng)計(jì)算

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

　　流場(chǎng)計(jì)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(dòng)力學(xué)方程

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

　　對(duì)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(duì)剪應(yīng)力反應(yīng)不敏感，因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://bjjyhsfdc.com/)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(jì)算時(shí)應(yīng)對(duì)蝶閥區(qū)域進(jìn)行延長(zhǎng)。應(yīng)用三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational FluidDynamics - CFD) 計(jì)算時(shí)，蝶閥前后延長(zhǎng)段分別為5D 和10D( D———特征長(zhǎng)度，取管道內(nèi)徑) 。以蝶閥開(kāi)啟45°進(jìn)行計(jì)算。由于蝶閥的對(duì)稱(chēng)性，只對(duì)計(jì)算區(qū)域的一半進(jìn)行建模。網(wǎng)格采用ANSYS 軟件的自動(dòng)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(jì)算中自適應(yīng)網(wǎng)格(圖2) 。流場(chǎng)計(jì)算的入口給定流速，出口給定壓力，中間面采用對(duì)稱(chēng)邊界條件，管壁面和蝶板表面取無(wú)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(chǎng)計(jì)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(chǎng)計(jì)算網(wǎng)格

3、結(jié)語(yǔ)

　　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(jì)算可發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)的弱點(diǎn)，并進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，為閥門(mén)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了方便。