0 前言
                                 
                              閥門具有阻止、控制和調(diào)整作用，廣泛用于流體機(jī)械、流體傳動(dòng)和控制系統(tǒng)中。對(duì)閥門的要求，一是控制可靠，二是阻力小、損失少。但是，由于閥門對(duì)流體的阻止作用以及不同開度的影響，必然導(dǎo)致流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的變化以及復(fù)雜渦系的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致各種損失，尤其是在閥門突然啟閉的過程中，流量劇烈變化，導(dǎo)致壓強(qiáng)等參數(shù)的劇烈變化，不但流動(dòng)損失會(huì)加劇，而且會(huì)有劇烈的沖擊與振動(dòng)，這種沖擊和振動(dòng)往往導(dǎo)致閥體的變形與疲勞破壞，不僅影響控制和調(diào)節(jié)精度，而且可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)工作失靈。同時(shí)，由于渦系和流動(dòng)沖擊，必然產(chǎn)生噪音，這是一些特殊領(lǐng)域（如潛艇）非常關(guān)注的問題。
                                 
                              基于以上原因，必須對(duì)管道流場(chǎng)進(jìn)行深入研究，以作為閥門減阻、安全、減振、降噪設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的參考。由于閥門結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，其流動(dòng)參數(shù)難以測(cè)量，國內(nèi)在實(shí)驗(yàn)方面的研究相對(duì)較少，對(duì)管道流場(chǎng)的流動(dòng)細(xì)節(jié)的測(cè)量基本沒有。文獻(xiàn)（1）對(duì)3種閥門（蝶閥、球閥、閘閥）的流噪聲進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，文獻(xiàn)（2，3）分別對(duì)給水管網(wǎng)中閥門阻力和電動(dòng)球閥流量特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。
                                 
                              近年來，隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬手段廣泛應(yīng)用于內(nèi)部的復(fù)雜流動(dòng)研究。數(shù)值模擬手段加深了閥門設(shè)計(jì)者和科研人員對(duì)其內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)的認(rèn)識(shí)，從而有可能從改善其內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)出發(fā)，達(dá)到降低流動(dòng)損失，改善閥門的振動(dòng)性能的目的（4）。但以往的數(shù)值模擬多局限于定常或非定常靜態(tài)（即閥門靜止）研究，如文獻(xiàn)（4-7），它們的共同點(diǎn)是分別具體研究閥門停留在某幾個(gè)特殊位置時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)，從而找出其開度、受力、流噪音等與流動(dòng)參數(shù)之間的關(guān)系。這對(duì)于模擬閥門穩(wěn)定工況是合理的，但作為設(shè)計(jì)參考，必須考慮變工況以及開關(guān)過程等。
                                 
                              本文利用FLUENT軟件，對(duì)4種常見閥門流動(dòng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬。得出了開關(guān)過程中流場(chǎng)詳細(xì)流動(dòng)結(jié)構(gòu)與閥體受力情況。
                                  1 物理模型與數(shù)值方法
                                 
                              利用了FLUENT前處理軟件GAMBIT生成閘閥、蝶閥、球閥以及調(diào)節(jié)閥的計(jì)算網(wǎng)格，如圖1所示。計(jì)算中選用分離求解器；k-ε湍流模型；速度入口，V=10m/s；出口壓力為零（相對(duì)于大氣壓）。前3種閥門通過水，調(diào)節(jié)閥通過水蒸氣。
                                 
                              同時(shí)利用了FLUENT軟件所提供動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)以及用戶自定義函數(shù)（UDF）。對(duì)各種閥門的啟閉過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真時(shí)，動(dòng)網(wǎng)格用于調(diào)整和更新閥門運(yùn)動(dòng)后的網(wǎng)格，以確保計(jì)算網(wǎng)格質(zhì)量；UDF用于定義閥門的開關(guān)規(guī)律（本文算例均基于速度隨時(shí)間變化規(guī)律），使閥門實(shí)現(xiàn)連續(xù)的啟閉過程。關(guān)于動(dòng)網(wǎng)格與UDF詳細(xì)介紹可參考FLUENT提供的幫助文檔。

                              圖2（a）中，由于閥門開度較小，流體所受阻滯作用較大，入口靜壓很大，而閥門背風(fēng)側(cè)壓力較低，在閥與管壁的微小縫隙中形成了一股高速射流。在閥門左側(cè)與右側(cè)分別形成了漩渦，進(jìn)口側(cè)的渦是由于受閥體阻礙的流體與流動(dòng)流體的剪切作用形成，而右側(cè)渦主要由于射流與閥體背風(fēng)側(cè)低速流體剪切作用形成，該渦一直影響到出口。同時(shí)在此渦的誘導(dǎo)作用下，右上角形成了一角渦。隨著閥門開度的增大（圖2（b）），左右兩側(cè)的壓力差有所改善，射流剪切作用減弱，右側(cè)渦也有所減小，并且右上角角渦也消失了。

                               
                                  
                              由圖3可以得到，閥門x方向受力系數(shù)（drag）和y方向受力系數(shù)（lift）在開度較小時(shí)隨開度減小而增大。閥門開始打開或即將關(guān)閉時(shí)，x、y向受力均劇烈變化，不僅會(huì)產(chǎn)生沖擊振動(dòng)與噪音，而且當(dāng)閥門長期進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作后，會(huì)因變形而影響控制精度，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致彎曲疲勞破壞。開度較大時(shí)，在一定范圍內(nèi)，受力變化不大。

                                  
                              圖4為蝶閥不同時(shí)刻流線圖。t=0.5s時(shí)，閥門只開了一小縫，大部分流體被擋在左側(cè)，左右壓差較大。從蝶閥上方越過的流體折向下方，從下方越過的流體也有較小上折的趨勢(shì)，從而形成兩個(gè)旋向相反的旋渦，這兩個(gè)旋渦在向下游發(fā)展過程中，相互作用，控制了下游整個(gè)流場(chǎng)。因此，可以推測(cè)其損失也很大。當(dāng)閥門處于完全開啟狀態(tài)，閥門方向與水流方向一致，水流所受阻滯作用較小，壓力分布、速度分布和流線均相對(duì)軸線對(duì)稱，水流流動(dòng)過程中局部損失很小。閥門處于一般狀態(tài)時(shí)，流體經(jīng)過閥門后會(huì)在軸線附近產(chǎn)生一對(duì)大小、強(qiáng)度不等的旋渦。
                                 
                              圖5揭示了蝶閥不同時(shí)刻受力系數(shù)與力矩系數(shù)變化。蝶閥x方向受力特點(diǎn)與閘閥比較接近，但是y向力在小開度時(shí)有振蕩的趨勢(shì)，這主要是由于蝶閥兩端旋