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無(wú)論是在流體機械還是在流體傳動(dòng)與控制系統中，都會(huì )用到各式各樣的閥門(mén)，這些閥門(mén)裝置的主要功能是對流體的流量、壓力和流動(dòng)方向進(jìn)行調節和控制，以滿(mǎn)足工作系統的要求。該過(guò)程中要求閥門(mén)控制可靠、阻力小、損失少。21世紀以前，對各類(lèi)閥門(mén)尤其是閥門(mén)流道流動(dòng)特性的研究尚未引起重視，在設計中基本上還是依據常規設計方法和經(jīng)驗，只考慮結構型態(tài)而不考慮流阻損失，從而引起較大的能耗。近年來(lái)，隨著(zhù)計算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，數值模擬手段廣泛應用于流體內部復雜流動(dòng)的研究上。筆者對閘閥的阻力特性進(jìn)行了研究，通過(guò)ANSYS軟件的FLOTRANCFD工具模擬了閘閥內部的流場(chǎng)。閥門(mén)單位：上海凱利科閥門(mén)有限公司
    1 模型與數值方法
    筆者主要研究的是閘閥內部流場(chǎng)，簡(jiǎn)化閘閥原型，使得閘閥通道為圓形通道，閘板為平板閘板。因此只需建立帶有閘板的閘閥通道模型，閘閥的CFD模型與實(shí)物呈1∶1，以閘閥左下端點(diǎn)為原點(diǎn)，建立直角坐標系，其幾何模型如圖1所示（以閘板開(kāi)度50%為例）。

圖1 平行式單閘板閘閥幾何模型

    采用閥門(mén)的進(jìn)口速度和進(jìn)口壓強作為進(jìn)口的邊界條件，在絕對參考系下給定一均勻來(lái)流，方向垂直于進(jìn)口面，速度大小分別為1、2、3、4、5m/s，強度和水力直徑由公式推導出，進(jìn)口表面壓強為2kPa；出口邊界采用自由出流，由于全部流場(chǎng)只有一個(gè)出口，其出口表面壓強設為0；由于在固壁處質(zhì)點(diǎn)滿(mǎn)足無(wú)滑移邊界條件，設壁面速度為0。
    筆者根據閘閥的特點(diǎn)，采用k-ε二方程湍流模型，選用ANSYS軟件的流體動(dòng)力學(xué)分析類(lèi)型進(jìn)行分析，借助專(zhuān)用于分析二、三維流體流動(dòng)場(chǎng)的先進(jìn)工具———ANSYS軟件的FLOTRANCFD工具分析計算了閘閥的內部流場(chǎng)特性。
    2 計算結果及閘閥阻力系數的計算
    當水溫為20℃時(shí)，其密度為998.2kg/m3，粘度為100.5μPa·s。當閘閥內徑為DN50mm，開(kāi)度分別為10%、20%、25%、35%、45%、50%、60%、75%、100%，進(jìn)口速度分別為1、2、3、4、5m/s時(shí)，模擬計算出閘閥內部的節點(diǎn)壓力場(chǎng)分布（圖2）。

圖2 閘閥內部的節點(diǎn)壓力場(chǎng)分布

    根據流體力學(xué)理論可知，閥門(mén)的阻力特性定義為：
    
    式中  Δp———閥門(mén)前后的壓差，Pa；
    ξ ———閥門(mén)的阻力系數；
    u———橫截面處的平均流速，m/s；
    ρ———流體的密度，kg/m3。
    從圖2中可以清楚地讀出最低靜壓值，算出最低靜壓值與進(jìn)口壓強差，進(jìn)而算出閘閥的阻力系數。
    當進(jìn)口表面壓強為2kPa，進(jìn)口速度一定時(shí)，作閘閥阻力系數隨開(kāi)度的變化曲線(xiàn)（圖3）。從圖3可以看出，當進(jìn)口速度一定時(shí)，隨著(zhù)閘閥開(kāi)度的不斷增大，其阻力系數減少。當閘閥開(kāi)度一定時(shí)，隨著(zhù)進(jìn)口速度的不斷增大，其阻力系數減少。

圖3 進(jìn)口速度一定時(shí)閘閥阻力系數隨開(kāi)度的變化

    對不同管徑（DN25、DN100、DN200）的閘閥分別進(jìn)行了模擬，并與DN50的閘閥模擬結果進(jìn)行了對比分析。當進(jìn)口速度為3m/s，進(jìn)口表面壓強為2kPa，閘閥內徑一定時(shí)，作閘閥阻力系數隨開(kāi)度的變化曲線(xiàn)（圖4）。從圖4可以看出，當閘閥內徑一定時(shí)，隨著(zhù)閘閥開(kāi)度的增加，閘閥阻力系數減少。當閘閥開(kāi)度一定時(shí)，隨著(zhù)閘閥內徑的增大，閘閥阻力系數也是增大。

圖4 內徑一定時(shí)閘閥阻力系數隨開(kāi)度的變化曲線(xiàn)

    3 結束語(yǔ)
    應用有限元體積法和ANSYS軟件對閘閥的內部流場(chǎng)特性進(jìn)行了分析，由分析可知，閘閥的阻力系數不僅與開(kāi)度、進(jìn)口速度有關(guān)，還與閘閥管徑有關(guān)；不同管徑的閘閥，在同一開(kāi)度、進(jìn)口速度下的阻力系數不同。同時(shí)，利用ANSYS軟件進(jìn)行閥門(mén)內流場(chǎng)的分析方法基本可靠。