三偏心蝶閥的流場(chǎng)和阻力特性研究

　　通過(guò)流阻試驗獲得了直徑為680mm的三偏心蝶閥在不同開(kāi)度和速度下的流阻系數。以試驗結果為基礎驗證湍流模型，選擇SST模型作為湍流模型，建立獲得三偏心蝶閥詳細流場(chǎng)的數值模型。利用該數值模型對試驗蝶閥在90°、70°、50°開(kāi)度下的流場(chǎng)和流阻系數進(jìn)行預測，90°代表全開(kāi)。試驗結果表明，50°開(kāi)度的流阻系數值約為90°開(kāi)度流阻系數值的9倍；三偏心蝶閥全開(kāi)時(shí)的流阻系數值約為中線(xiàn)蝶閥全開(kāi)時(shí)流阻系數值的6倍。數值分析表明，全開(kāi)狀態(tài)下，三偏心蝶閥閥板處存在的漩渦比中線(xiàn)蝶閥多，可對三偏心蝶閥閥板形狀進(jìn)行優(yōu)化，以減小流阻系數；隨著(zhù)開(kāi)度減小，流體的流動(dòng)產(chǎn)生與閥板關(guān)閉方向一致的力矩，幫助閥板關(guān)閉。

1、引言

　　蝶閥由于結構簡(jiǎn)單、體積小、操作簡(jiǎn)單，被廣泛應用于管線(xiàn)中，發(fā)揮截斷和流量調節功能。為滿(mǎn)足各種工況要求，蝶閥先后經(jīng)歷了從中線(xiàn)蝶閥向單偏心蝶閥、雙偏心蝶閥和三偏心蝶閥的演變。三偏心蝶閥是結構最先進(jìn)的一種蝶閥，它具有優(yōu)異的密封性能，可用于高溫、高壓環(huán)境，滿(mǎn)足了電站、石油、化工、冶金等行業(yè)對管件的苛刻要求，正得到越來(lái)越廣泛的應用。

　　流阻系數是衡量閥門(mén)性能優(yōu)劣的主要參數之一。它影響管路的阻力特性，是設計者和用戶(hù)非常關(guān)注的參數。但是，目前包括《實(shí)用閥門(mén)設計手冊》在內的專(zhuān)業(yè)文獻均沒(méi)有提供三偏心蝶閥的流阻系數值，不利于工程設計和實(shí)際應用。蝶閥的流阻系數與繞流蝶閥的流場(chǎng)緊密相關(guān)，可以通過(guò)模型試驗和數值計算2種方法獲得三偏心蝶閥的流阻系數。模型試驗花費多，從開(kāi)始制造到完成試驗的周期長(cháng)，并且試驗對象和試驗工況有限；而數值計算不僅能彌補模型試驗的缺點(diǎn)，在預測蝶閥流阻系數的同時(shí)還能獲得繞流蝶閥的流場(chǎng)細節，可以更有效地對蝶閥結構進(jìn)行優(yōu)化設計，目前已廣泛地應用于包括蝶閥在內的各種流體機械中。三偏心蝶閥的研究集中于結構設計，沒(méi)有關(guān)于其流阻系數和流場(chǎng)的研究報道，但其它類(lèi)型的蝶閥均有相關(guān)報道。

　　本文將分享已有的三偏心蝶閥流阻試驗結果，為蝶閥設計者和用戶(hù)提供準確的三偏心蝶閥流阻系數試驗值，節約其研究經(jīng)費和時(shí)間；另外，將以試驗結果為基礎建立數值模型，對三偏心蝶閥的流場(chǎng)和阻力特性進(jìn)行數值研究，詳細分析和總結三偏心蝶閥的流動(dòng)特點(diǎn)，為其實(shí)際應用和優(yōu)化設計打下基礎。

2、三偏心蝶閥的結構

　　三偏心蝶閥的結構如圖1所示。它具有3個(gè)偏心，分別由圖1的a、b和β表示，其中：a為軸向偏心，表示閥板的旋轉中心與蝶閥密封截面之間的軸向距離；b為徑向偏心，表示閥板的旋轉中心與閥體中心線(xiàn)之間的徑向距離；β為角偏心，表示閥座旋轉中心線(xiàn)與閥體中心線(xiàn)之間的角度。

圖1 三偏心蝶閥的結構

　　由于存在角偏心，三偏心蝶閥的閥板密封面形狀為橢圓，不同于一般蝶閥的圓形密封面，它將閥板和閥座之間的密封形式由線(xiàn)密封優(yōu)化為面密封，使得蝶閥密封性能更優(yōu)。另外，由于3個(gè)偏心的存在，三偏心蝶閥為偏置板式結構，閥板形狀不對稱(chēng)。

3、三偏心蝶閥的流阻試驗

3.1、試驗對象

　　試驗對象為一直徑680mm的三偏心蝶閥(DN650三偏心蝶閥)，它所在圓管內徑680mm，蝶板最大厚度47mm。

3.2、試驗回路

　　采用圖2所示的試驗回路對DN650三偏心蝶閥在不同開(kāi)度來(lái)流速度下的流阻系數進(jìn)行測量。試驗回路出口布置一臺變頻軸流風(fēng)機改變來(lái)流速度；回路進(jìn)口布置一個(gè)整流柵，保證進(jìn)入蝶閥的來(lái)流速度均勻；試驗蝶閥前后各布置一個(gè)壓力傳感器測量空氣繞流蝶閥產(chǎn)生的壓差，壓力傳感器布置在遠離蝶閥進(jìn)口和蝶閥出口10倍管徑處，以保證測量結果的準確度。試驗參考標準JB/T5296—91《通用閥門(mén)流量系數和流阻系數的試驗方法》進(jìn)行，在江蘇神通閥門(mén)股份有限公司完成。

圖2 DN650三偏心蝶閥的流阻試驗回路

3.3、試驗內容

　　試驗目的是測量DN650三偏心蝶閥在不同開(kāi)度和不同來(lái)流速度下的流阻系數，因此，試驗內容共包括2部分：

　　(1)測量空管的壓差。采用空的直管段代替蝶閥所在管段，改變不同來(lái)流速度，通過(guò)兩個(gè)壓力傳感器獲得空管的壓差，進(jìn)一步擬合得到空管壓差與來(lái)流速度之間的數學(xué)表達式。

　　(2)固定蝶閥開(kāi)度，測量不同來(lái)流速度下蝶閥本體引起的壓差。首先固定蝶閥開(kāi)度，改變來(lái)流速度，獲得蝶閥前后的壓差；將來(lái)流速度代入第一部分所得的空管壓差與來(lái)流速度的關(guān)系式中，插值得到空管壓差；從測量得到的蝶閥前后壓差中減去插值獲得的空管壓差，得到蝶閥本體所引起的壓差。同時(shí)在試驗中測量試驗環(huán)境參數，包括溫度、壓力、濕度。然后將蝶閥固定在不同開(kāi)度，采用相同步驟進(jìn)行不同來(lái)流速度的試驗。最后將測量結果進(jìn)行整理，獲得DN650三偏心蝶閥在不同開(kāi)度和不同來(lái)流速度下的流阻系數曲線(xiàn)。

　　對DN650三偏心蝶閥在6個(gè)開(kāi)度(90°、85°、80°、70°、60°、50°)下的流阻系數進(jìn)行了測量，其中90°開(kāi)度代表蝶閥處于全開(kāi)狀態(tài)。

　　蝶閥流阻系數定義如下：

　　式中 Δp———被測閥門(mén)的壓力損失，Pa

　　ρ———介質(zhì)密度，kg/m3，取回路進(jìn)口處平均密度

　　V———管道內介質(zhì)的平均流速，m/s，取回路進(jìn)口處平均流速

3.4、試驗結果

　　DN650三偏心蝶閥的流阻試驗結果如圖3所示。由圖可見(jiàn)，隨著(zhù)蝶閥開(kāi)度的減小，流阻系數逐漸變大，蝶閥在50°開(kāi)度下的流阻系數平均值達到10.027，而全開(kāi)時(shí)的流阻系數平均值為1.132，前者約是后者的9倍�！秾�(shí)用閥門(mén)設計手冊》中列出的中線(xiàn)蝶閥全開(kāi)時(shí)流阻系數值約為0.24，接近三偏心蝶閥全開(kāi)時(shí)流阻系數值的1/6。

圖3 DN650三偏心蝶閥的流阻試驗結果

4、三偏心蝶閥流場(chǎng)的數值研究

4.1、計算模型

　　計算模型共包括蝶閥進(jìn)口延長(cháng)段、蝶閥段和蝶閥出口延長(cháng)段3個(gè)部分。

　　為了更準確地預測三偏心蝶閥的流場(chǎng)，計算模型包括閥板、閥桿、閥座這些主要影響蝶閥流場(chǎng)的部件。計算時(shí)，蝶閥進(jìn)口延長(cháng)段長(cháng)度取為10倍管道內徑，出口延長(cháng)段長(cháng)度取為20倍管道內徑。

　　三偏心蝶閥流場(chǎng)計算模型如圖4所示，該圖對文中涉及到的主要術(shù)語(yǔ)均進(jìn)行了標識。

圖4 DN650三偏心蝶閥流場(chǎng)計算模型

4.2、邊界條件

　　介質(zhì)為理想空氣。管道進(jìn)口給定來(lái)流速度，在后文的結果分析時(shí)列出具體速度值；參考壓力設為1個(gè)大氣壓；出口設定壓力為零；管道壁面和蝶閥壁面(包括閥板、閥座、閥桿、凸緣對應的壁面)設為絕熱、無(wú)滑移邊壁；蝶閥壁面粗糙度設為0.19mm。采用ANSYSCFX12.1進(jìn)行三偏心蝶閥流場(chǎng)的定常計算。

4.3、網(wǎng)格劃分

　　選取90°、70°和50°3個(gè)開(kāi)度進(jìn)行計算，分別代表全開(kāi)、較大開(kāi)度、近似半開(kāi)3種狀態(tài)。由于三偏心蝶閥流場(chǎng)計算的幾何模型既包含非全開(kāi)工況下閥板與閥座之間非常小的間隙，又包含閥板外圍較大的流動(dòng)區域，流動(dòng)區域尺寸變化大且形狀不規則，所以采用四面體網(wǎng)格劃分蝶閥段，在閥板、凸緣、閥座附近進(jìn)行加密處理。對蝶閥進(jìn)口延長(cháng)段和出口延長(cháng)段采用六面體網(wǎng)格，保證正確求解的同時(shí)減少網(wǎng)格數。

　　90°、70°和50°開(kāi)度的計算網(wǎng)格數分別為333萬(wàn)、481萬(wàn)和327萬(wàn)網(wǎng)格單元。90°開(kāi)度的計算網(wǎng)格如圖5所示，70°和50°開(kāi)度的網(wǎng)格與此類(lèi)似。

圖5 DN650三偏心蝶閥的計算網(wǎng)格(90°開(kāi)度)

4.4、湍流模型驗證

　　選擇70°開(kāi)度作為湍流模型驗證的計算對象。針對70°開(kāi)度不同來(lái)流速度工況，采用4種常用的湍流模型(SST，RNGk-ε，標準k-ε和標準k-ω)計算三偏心蝶閥的流阻系數，數值結果與試驗結果的比較如圖6所示。圖例中的“70°-test”表示70°開(kāi)度下的流阻系數試驗結果，“70°-SST”表示采用SST湍流模型計算得到的70°開(kāi)度下的蝶閥流阻系數值，其余標識的意義與此相似。由圖可見(jiàn)，對于70°開(kāi)度下的每個(gè)速度工況，4種湍流模型的計算結果非常接近，均小于試驗值。由此可得，對于本文算例，湍流模型的影響比較小。由于SST模型綜合了k-ω模型在近壁模擬和k-ω模型在邊界層外區域計算的優(yōu)點(diǎn)，它考慮了湍流剪切應力的輸運，可對逆壓梯度下的流動(dòng)分離現象給出更精確的預測，而繞流蝶閥的流場(chǎng)容易出現流動(dòng)分離現象，所以本文選擇SST模型。

圖6 DN650三偏心蝶閥流阻系數試驗值與數值解的比較

5、計算結果分析

5.1、三偏心蝶閥的流場(chǎng)特性

　　給定進(jìn)口來(lái)流速度為19.05m/s，采用上述數值模型對DN650蝶閥在90°、70°和50°3個(gè)開(kāi)度下的流場(chǎng)進(jìn)行數值模擬。

　　5.1.1 速度等值線(xiàn)分布

　　計算所得的速度等值線(xiàn)分布如圖7所示。氣流流動(dòng)方向均是從左向右。由圖7可見(jiàn)，三偏心蝶閥全開(kāi)時(shí)，閥板附近整體上流速分布比較均勻。但由于凸緣的存在，在凸緣與前緣邊間的上游閥板面處存在漩渦；后緣邊由于閥板厚度存在漩渦；下游閥板面的凹槽處也存在漩渦。中線(xiàn)蝶閥由于閥板形狀呈流線(xiàn)型對稱(chēng)，全開(kāi)時(shí)的流速分布不存在上述漩渦。這也是本文三偏心蝶閥全開(kāi)時(shí)流阻系數試驗值大于《閥門(mén)設計手冊》推薦的中線(xiàn)蝶閥流阻系數的主要原因，后續可以針對本文的三偏心蝶閥閥板形狀進(jìn)行優(yōu)化，以減小流阻系數。

圖7 DN650三偏心蝶閥不同開(kāi)度下的速度等值線(xiàn)分布

　　3個(gè)開(kāi)度下，駐點(diǎn)均位于上游閥板面靠近前緣邊處。從90°大開(kāi)度到50°小開(kāi)度，駐點(diǎn)位置逐漸向遠離前緣邊處移動(dòng)；在前緣邊和凸緣之間的上游閥板面，以及下游閥板面上的附著(zhù)流動(dòng)區越來(lái)越大。由于前緣邊、后緣邊與管道壁面之間的縮頸處過(guò)流面積均逐漸減小，閥板附近的速度梯度增大，流動(dòng)的不均勻性加強。在閥板、閥座和凸緣的共同作用下，隨著(zhù)開(kāi)度的減小，由于逆壓梯度產(chǎn)生的分離流區域逐漸變大。

　　5.1.2 壓力等值線(xiàn)分布

　　上、下游閥板面的壓力等值線(xiàn)分布圖如圖8所示。圖8所示的所有閥板面均是后緣邊位于上部、前緣邊位于下部。由圖8(a)可見(jiàn)，每個(gè)開(kāi)度下的高壓區均位于凸緣至前緣邊之間的上游閥板面處，隨著(zhù)開(kāi)度變小，高壓值增大。由圖8(b)可見(jiàn)，下游閥板面的壓力值均低于對應開(kāi)度下的上游閥板面的壓力值，并且隨著(zhù)開(kāi)度的減小，下游閥板面的壓力值減小。即隨著(zhù)開(kāi)度減小，上游閥板面與下游閥板面之間的壓差變大，閥板產(chǎn)生的壓力損失變大。另外，圖8(b)顯示下游閥板面的高壓靠近后緣邊處，這與圖8(a)高壓位置正好相反，由此可得，隨著(zhù)開(kāi)度減小，流體的流動(dòng)產(chǎn)生與閥板關(guān)閉方向一致的力矩，即流體的流動(dòng)有助于閥板的關(guān)閉。

圖8 DN650三偏心蝶閥閥板的壓力分布

5.2、三偏心蝶閥的阻力特性

　　將DN650三偏心蝶閥流阻系數數值預測值與試驗值進(jìn)行比較，結果如圖6所示。由圖可見(jiàn)，數值模擬結果與試驗結果的趨勢一致，流阻系數均隨開(kāi)度的減小而增大。50°開(kāi)度時(shí)的流阻系數值遠大于70°開(kāi)度和90°開(kāi)度時(shí)的流阻系數值。這與上述流場(chǎng)分析中獲得的閥板產(chǎn)生的壓力損失隨開(kāi)度減小而變大相一致。70°和90°開(kāi)度下的數值預測值與試驗值符合較好，兩者誤差最大值小于12%；而在50°開(kāi)度下，數值預測值明顯小于試驗值。，原因可能是50°開(kāi)度時(shí)的流動(dòng)現象更復雜，對應的分離流和尾跡流具有更明顯的非定常特性，而定常解不能反映出這種特點(diǎn)，從而導致數值預測值小于試驗值。

6、結論

　　(1)DN650三偏心蝶閥流阻試驗結果表明：50°開(kāi)度下的流阻系數平均值約為90°全開(kāi)狀態(tài)下的流阻系數平均值的9倍；三偏心蝶閥全開(kāi)時(shí)的流阻系數值約為中線(xiàn)蝶閥全開(kāi)時(shí)流阻系數值的6倍；

　　(2)DN650三偏心蝶閥流場(chǎng)的定常數值分析表明：90°全開(kāi)狀態(tài)時(shí)閥板處存在的漩渦比中線(xiàn)蝶閥的多，可對閥板形狀進(jìn)行優(yōu)化，以減小流阻系數；隨著(zhù)開(kāi)度減小，流體的流動(dòng)產(chǎn)生與閥板關(guān)閉方向一致的力矩，幫助閥板關(guān)閉。