超大型阀门流体分析与试验验证

1. 阀门产品开发中面临的挑战

在传统阀门设计中主要依靠经验公式和生产出实物进行试验。那么会有以下多方面的问题：

1）阀门的性能参数必须依靠试验才能确定，阀门设计是否合格（或优劣）只有实物出来后通过试验才能确定，因此成本很高；

2）蝶阀设计中蝶板形状的优劣无法判断和评估，如图1无法判断那种情况好，也不敢进行创新设计；

图1 蝶阀设计中蝶板形状比较         图2 无法确定蝶阀水力矩

3）调节阀设计时无法确定开度与流量、压差的关系；

4）流体作用在过流部件上的压力载荷无法求出；

5）推动蝶阀的蝶板转动的驱动载荷不能确定；

6）过流部件的结构强度设计；

7）整体结构经济性与安全性的平衡；

8）超大型阀门无法采用样机来实现改进；

面对这么多的问题和挑战，传统的设计方法已经局限了新型和大型阀门的设计，必须寻找一种全新的解决办法，近年来CFD技术在国外阀门设计领域得到了广泛的使用。

2. CFD概述

本世纪50年代前，研究流体运动规律的主要方法有两种：一是实验研究，以实验为研究手段；另一种是理论分析方法，利用简单流动模型假设，给出某些问题的解析解。前者耗费巨大，而后者对于较复杂的非线性流动现象目前还有些无能无力。20世纪70年代以来，计算流体动力学作为一种流体分析研究的数值模拟方法得以飞速发展起来，它同时也促进了实验研究方法、理论分析方法的发展和完善。目前，实验研究方法、理论分析方法和数值模拟已成为当前研究流体运动规律的三种基本方法。

任何流体运动的规律都是以质量守恒定律，动量守恒定律和能量守恒定律为基础的。这些基本定律可由数学方程组来描述，如欧拉方程、N-S方程。采用数值计算方法，通过计算机求解这些流体流动的数学方程，进而研究流体的运动规律，这样的学科就是计算流体动力学，简称CFD。

近年来，CFD方法取得了很大的发展，计算准确、界面友好、使用简单、又能解决问题的商业计算软件应运而生。目前唯一和3维CAD无缝集成的CFD的软件只有SolidWorks Flow Simulation。它是同时面向分析专家和工程师的完全功能的CFD软件，对于普通工程师具有简捷的操作界面和强大的功能，对于分析专家他又可以获得所有CFD软件的控制能力。

下面将以DN700mm蝶阀为例，介绍SOLIDWORKS FLOW SIMULATION软件在阀门流体分析中的应用情况。

3. 用SOLIDWORKS FLOW SIMULATION求解流体动力学问题的步骤

3.1建模

CFD分析属于大型数值问题求解，为了缩短求解时间，模型应尽可能简化。
阀后流体的流动比较复杂，为了避免出口界面上产生涡流并使计算结果收敛，阀前延伸管道长度一般应大于管道直径的n1倍，阀后延伸管道一般应大于管道直径的n2倍(n1，n2需根据实际情况确定)。

SOLIDWORKS FLOW SIMULATION能够自动查找封闭的空间并设定为计算区域，计算区域内实体与流体的识别也能自动完成。因此，研究对象的进口和出口应是封闭的。

3.2运行设置向导