蝶阀作为一种用来实现管路系统通断及流量控制的部件，广泛应用于石油、化工、给水排水以及能源等系统管路上，适用气体、液体、半流体和固体粉 末等。图1所示为某蝶阀的结构示意图。圆形阀板安装于管道的直径方向，作为启闭件随着阀板轴转动来实现对阀门的开度控制。阀板在任意角度时，阀板两侧承受了流体的分布压强，其合力形成了对阀板的作用力矩。随阀板角度不同，压强分布随之变动，于是作用力矩也就变动。因此，阀板的压强分布及阀板上的作用力矩研究，对蝶阀实现流体流量控制有着重要的意义。

图1 蝶阀结构示意图

目前，不少学者对蝶阀及其他结构阀门的流动特性进行了相关研究。Naseradinmousavi和Nat－建立了蝶阀的高精度模型，并分析了以电磁驱动的蝶阀阀门开启和关闭过程，结果表明水动力矩在阀门启闭过程中有很重要的作用；Leutwyler和Dalton研究了可压缩流体在对称蝶阀中的压力及力矩特性；He等对阀门内流道中的三维复杂湍流流动的数值模拟作了深入研究；Song等利用基于有限元法（finite element method，FEM）计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）软件，提出了一种复杂结构的蝶阀的新工艺；Park和Song用数值方法研究了中心对称蝶阀的三维流动特性；Chern和Wang运用CFD软件STAR－CD分析了球阀中流动流场，通过模拟仿真得出了球阀的相关系数。上述的这些研究在流动计算方法上都对本文有一定的参考价值，但均未涉及流动压力分布与阀板气动力矩关系的探讨。

笔者以某燃气设备进气道上标准蝶阀为研究对象，以对蝶阀的开度控制为出发点，对其进行流场流动数值模拟，探讨分析蝶阀压力场、速度场等内部流场随阀板开度变化的分布规律以及涡旋产生的原因，得出阀板的驱动力矩特性。

1 网格划分及边界条件设置

网格是CFD模型的几何表达式，也是模拟与分析的载体，网格质量对CFD计算精度和计算效率有重要影响；边界条件是在流体运动求解域边界上控制方程应该满足的条件，是数值计算中非常重要的影响因素。

 1.1 流场区域网格模型建立

本文采用标准蝶阀为研究对象，其直径D＝2m，管道长度L＝10D。为了能更好地查看阀板附近的流场，将整个CFD模型划分为阀体和管道两部分。网格划分分别为：阀板附近的阀体流动空间局部采用四面体非结构网格；进出管道采用六面体结构网格。网格大小为1mm。图2为阀板开度为40°时的网格模型，网格总数量约为1.3×10⁵。其他角度的网格模型与之类似，只是网格数量略有不同。

图2 阀门开度为40°时的网格模型

 1.2 计算模型和边界条件设定

1）计算模型：气体黏度极低，流场内平均流速不大于50m/s，流动状态为不可压缩流体湍流，选取标准k－ε湍流模型。近壁区采用标准壁面函数法，固壁面采用无滑移边界条件。压力和速度的耦合采用simple算法，离散格式全部采用二阶迎风格式。

2）流体参数：流体介质为空气，其密度为1.225kg/m³，温度为300K。

3）边界条件：进口设置为速度入口，入口速度为υ_in＝8m/s；出口设置为自由出流。

 2 流场分析理论控制方程

在实际的数值求解过程中，需要将控制方程离散化才能满足计算机的需要，将分析模型转化为计算机可以计算求解的网格，然后在每个单元上施加离散化偏微分控制方程并求解，根据得到的数据可绘制流动分布图。气体在阀门及管道内流动是三维的，计算模型采用标准k－ε方程模型，遵循以下方程规律：

1）不可压缩流体连续性方程

    （1）

2）不可压缩湍流运动方程

    （2）

3）标准k－ε方程

    （3）

4）湍动能k的方程

    （4）

5）耗散率ε的方程

    （5）

式中，“—”代表对时间的平均值，“′”代表脉动值，ρ为流体密度，u_i为流体的速度分量，p为流体微元体上的压强，μ为动力黏度，μ_t为湍动黏度，k为湍流动能，ε为耗散率。标准k－ε模式量纲一的常数：C_μ＝0.09，C_1ε＝1.44，C_2ε＝1.92，σ_k＝1.0，σ_ε＝1.3。