三偏心蝶阀的动水力矩计算.docx

三偏心蝶阀的动水力矩计算动水力矩是蝶阀设计中的一个重要参数，尤其是在研究管路中的水锤压 力时，应准确地了解阀门的启闭速度和在各种开度下作用在转轴上的力 矩当然，对于中线对称阀瓣的蝶阀，其力矩可按经验公式计算［1］：(1)式中，m^为开度为B角时的动水力矩系数；为开度为B角时 的阻力系数；J为全开(0=0)时的阻力系数；V为流速，mm/s; D为公 称通径，mm； H为计算升压在内的最大静水头，mm,且H=9.8xl04(p+Ap)或H =(2)式中，b为阀瓣中心处厚度，mm； p为计算压力，MPa; Ap为阀前 压力升值，MPa式(1)中的动水力矩系数m和阻力系数等均是根据具体的阀瓣 结构和阀瓣开度等参数而确定的实验系数因此,对于目前结构形式多 样的偏心蝶阀仍旧使用上述公式计算力矩,必然会带来较大的误差本文采用理想流体无旋流动的假定,简化问题,求解拉普拉斯方程, 得出速度的分布，然后再由伯努利方程(Bernoulli)求出阀瓣上的压力分 布,并进而求出作用在转轴上的力矩1 同心蝶阀的动水力矩同心蝶阀的动水力矩用经验公式求取，误差比较小.下面给出一个计 算实例作一直观的了解已知 b=8mm, D=80mm, v=lm/s，则由式(2)可得：H=6.351m，各开度 下的系数由文献［1］查表可以得到。

由式(1)计算出阀瓣在各个开度下的 动水力矩，将获得的数据处理后得到动水力矩拟合曲线，见图1由图1可以看出：同心蝶阀的动水力矩的最大值发生在开度为 60°~80°之间2 三偏心蝶阀的动水力矩2.1 三偏心蝶阀的结构三偏心是指蝶板的回转中心0相对于蝶板中心在轴向存在偏心距c 和在径向存在偏心距e,另外，阀座所在的圆锥形的高线与阀体中心线 有一个夹角(p构成了蝶阀的第三个偏心，即角偏心如图2所示的三偏 心蝶阀的结构是广为采用的0 = P的情况为三偏心蝶阀蝶板的中性 面阀轴 阀体阀座蝶板图2三偏心蝶阀的结构2.2 三偏心蝶板的简化为了计算方便，在不影响计算结果的情况下，作如下简化：以中性 面的长半轴为半径，厚度保持不变，得到新的圆柱体来代替原来的蝶板 为此，给出以下数据作为计算的依据管道公称通径为D=8Omm，公称压力为l.OMPa.正圆锥的半锥角 0=10中性面的长半轴A=39mm，蝶板厚度E=8mm由图2几何关系可得圆锥底半径［2］：cos 35 sin 82cos 23=40.34mm中性面的短半轴为［2］2ycos 2&为保证蝶板与阀座不发生干涉，三偏心蝶阀的偏心距取值范围为［2］0

1) 介质是不可压缩的理想流体，把流体看作是理想流体，在计算摩 擦阻力时是行不通的但由于现在求取的是压力分布，则可以把流体假 定为理想流体，必要时，可对蝶板的厚度加以修正，使计算的压力分布 更接近于实际情况2) 阀门处于大开度的状态，为避免较大的误差，假定蝶板的开度小 于 303) 流态是无旋流动2.5 控制方程及边界条件对于不可压缩流体有连续方程［4］：▽v=0 (8)根据流动是无旋的假定，可引入速度势①，它与速度的关系为① (9)由式(8, 9)可得关于①的拉普拉斯方程：▽2①=0 (10)式(10)的边界条件如下：__些管道进□处速度：%一弘管道内壁处法向速度：蝶板表面处法向速度：式中，指的是相应曲面的外法线单位向量.当进出□截面积相等时, 显然有v =vin out根据上述方程可求出①和速度V,由于流体作无旋流动，由伯努利 方程可得蝶板上的压力分布［5］：严討乂 (12)式中，P为压力；P为液体的密度；c为常量2.6 网格的构造与方程的差分离散坐标系的选择在处理圆管内流动问题时,通常采用柱坐标,此时的 管壁条件很容易处理，其法线方向即为半径r的方向然而，在处理蝶 板边界条件时,必须进行两次近似,一是将边界点移到邻近的网格点上 造成所谓的“转移误差”,二是在求法向导数的差分时,需要用插值法 求值,这必然要产生插值误差。

采用图2所示的直角坐标系,这不仅能将式(10)简单地写成如下形 式：而且蝶板上的边界条件能被精确处理2.7 计算网格的构造[6]如图3所示将蝶板按步长hi=2mm，等分为4等份，各层分别标识为 I~V,对于第I和第V层，其表面上的网格点均为边界点，与边界条件有 关，第ii~iv层上的网格点除去圆周上的点均为内部点由于蝶板关于y 轴对称，故只需计算蝶板对称一侧的点即可圉3差分网格点的划分2.8 方程的差分离散[7]对于式(13)其二阶偏导数用中心差分逼近，即五点差分格式，简化 如下：氐 给 毎 毎(14)池沪①对必'和卽'也可以给出类似的结果，把它们代入到式(13)得到差 分离散后关于①的拉普拉斯方程(七点差分格式)：①i+ljd亠①i-kj.k亠①iJ+M亠①亠①iJMl 叱 叱 叱 V V 警 右+*+扑式中，i, j, k分别表示x, y, z方向网格点的下标，h , h , h分xyz 别是三个方向的网格步长2.9边界条件的处理对于进口边界条件用向前差分格式,而出口截面的边界条件用后差, 例如对于出口有：v =(①-①)/h (16)out N N-1 N-1选用直角坐标后,蝶板上表面的边界条件为日①(17)dz3① 9①在作差分离散时，对于上表面別及氐均用前差，对于下表面也有 类似的结果,但离散时要求用后差。

3 计算方法3.1 拉普拉斯方程的数值求解法拉普拉斯方程的求解方法很多,不逐一列举,作为初步计算,可用 高斯一塞德尔迭代法[5],尽管此方法收敛速度慢,但它所需的内存最少 可以逐点迭代推进,计算方法比较成熟对于式(14)所示的差分方程, 可用高斯-塞德尔法写出它的迭代公式,为使公式不至太冗长,暂时令网 格为等距网格3.2 步长的选择既要保证计算精度,又要节省计算机的内存和计算的时间,步长的选择不宜过小，划分的网格不宜过密，这里采用等间距的网格点x方向的步长h =3mm,为了使对应的网格点能够精确地落在蝶板上，避免“转X移误差”，y方向的步长h应由蝶板开度B和z方向的步长h决定即 yz有如下几何关系：h =h tan0 (18)yz若沿蝶板倾斜的方向(即y轴的方向)取等分步长h=3mm,则有hs=h cos Q hy=h sin p故(19)若取0=30则有h=1.5, h =2.598，蝶板开度为B时其左侧起yz始坐标设为y ,z ,右侧坐标设为y ,如图3所示0 0 n3.3差分方程的迭代公式由以上分析知沿坐标轴三个方向的步长均为等间距，分别为h =3mm,Xh =1.5mm, h =2.598mm, 令 yz“捡亠则迭代公式为叽=2〔1 +丄+胪严⑴+©血+ 小(①:j+臥+①;工皿)+护(①;"+i +①］ (20)式中，上标n表示前一迭代层的值，而n +1则表示这一迭代层的值。

3.4 迭代收敛准则的选取在计算中选用的收敛准则为［8］△① max | ① n+1 —i,j,k i,j,k i,j,k3.5 动水力矩的求取在用伯努利方程求出压力之后，就可以计算作用在蝶板微元面积上 的力，进而求出相应的力矩对于蝶板内部的网格点M,在该点的压强 求出之后，以M点为中心，分别向前、后、左、右延伸相应的半个步长 所形成的矩形面积作为压强作用面，求出压力后，把M点作为力的作用 点求出对旋转轴的力矩对于与蝶板边界近邻的网格点，可按类似的方 法构筑近似的面积但由于理想流体的假定会使近边缘处压差计算值偏 大，因此要作必要的修正4 举例对三偏心蝶阀的流场和压力分别进行计算，得出在不同开度下所对 应的动水力矩图4和图5表示改变径向偏心和轴向偏心时相应的拟合 曲线［9］5 结论1）三偏心蝶阀的动水力矩最大值发生在蝶板完全关闭的瞬间2）三偏心蝶阀的动水力矩对操作扭矩的影响不是很大3）三偏心蝶阀的操作扭矩主要是由阀座与蝶板间的压力以及阀杆与 密封件、轴承之间的摩擦力决定的。