蝶阀内部流动特性仿真分析及结构优化

    0 引言

    阀门是流体输送系统中的控制部件，具有截止、调节、导流、防止逆流、稳压、分流或溢流泄压等功能。蝶阀作为常见的一种阀门，具有结构简单、控制方便等特点，适合于各种口径管道，得到了广泛的应用。

    目前国内外很多生产和销售阀门的公司对阀门流道流动特性的研究尚未引起足够的重视，在设计中基本上还是利用已有经验进行常规设计，只注重结构而不大关心阀门及其流道的流动性能影响如流阻损失等，从而引起较大的能耗。基于上述实际情况，必须对管道流场进行深入研究，以作为阀门减阻、安全、降噪设计与结构优化的参考。

    21世纪以来，随着计算机技术的迅猛发展，发达国家已经在阀门的研究与开发中运用计算流体动力学技术（CFD）进行设计方案的改进。目前，我国对蝶阀的研究主要集中在产品的机械制造及结构形式等方面，从水力的角度对蝶阀内部流场研究投入较少，使得蝶阀设计和使用处于半试验状态。主要研究成果包括：袁新明等人通过数值模拟研究了阀门的阻力特性，通过阀门阀道的体型优化，寻求到阻力系数和过水断面较小、合理的阀道体型；诸葛伟林等人对蝶阀的三维分离流动进行了数值模拟，得出蝶阀的流动阻力系数随着蝶阀关闭角度的增大呈指数性增长的结论；沈新荣等利用数值模拟和实验等手段对不同开度下电动蝶阀的三维湍流流动进行了分析；刘健等对不同开度情况下的大口径蝶阀的三维流场结构进行了数值模拟；刘华坪等利用动网格技术动态模拟了常见的几种阀门管路中的流动状态；Huang等给出了蝶阀内部的不可压缩流动的三维速度场图和应力分布图；Lin、黄国权、冯卫民、宋学官和韦应发等人在蝶阀研究中也做了相关的工作。

    纵观上述研究成果，大多数停留在研究阀门单一参数对流经阀门流体特征影响的情况。对于其它影响阀门性能的重要参数（如：阀板结构和管内壁粗糙度等）变化下阀门的水力特性以及如何通过调整阀门结构使流阻损失降低方面未作太多探讨。

    因此，分析蝶阀阀板结构、管内壁粗糙度等参数对蝶阀管道内部流场特性的影响，定性给出阀门在不同雷诺数下管路出口处流体质量流量以及阀门流道内部涡流的形成、扩展和消耗的过程，反映出阀内真实的流动情况，提高阀门的减阻性能和安全性，为降低流阻损失和进行阀门结构优化提供理论依据是十分必要和有意义的工作。

    1 蝶阀控制管路内部流动分析

    1.1 蝶阀的结构

    蝶阀的结构主要包括阀体、阀板、阀杆和密封圈四部分。一般阀体呈圆筒形，阀板置于阀体内，通过阀杆与连接并绕阀杆旋转。当旋转角度为0°时，阀板和密封圈一起阻挡液体流进阀门，阀门完全关闭；当旋转角度为90°时，阀门则完全开启，该旋转角度又称为阀门的开度，可控制介质的流量。阀体通过双头螺栓连接在两管道法兰之间。

    对于大口径蝶阀，由于其在启闭过程中，阀板受到较大的流体作用力易产生变形，极大影响工作可靠性和安全性，故往往在阀板背面（即来流后方）设置各种样式的加强筋提高结构强度。目前，企业采用的加强筋结构主要为﹟形分布、◇形分布和//形分布三种。这三种加强筋结构都能对阀板提供足够的支撑力，但实际应用时发现，相同结构的同款蝶阀，由于采用不同的加强筋，导致其对介质流量的影响存在差异，包括流动特性、流经阀门的噪音等。

    1.2 控制方程

    使用不可压缩流动的雷诺方程组与k－ε湍流模型构成封闭的方程组来描述，如式（1）所示。

        （1）

    式中：ρ为密度，为压力，K为湍流动能，ε为湍动能耗散率，和为速度矢量，x_i和x_j为坐标参数，υ为湍流粘度，υt为湍流粘性系数，G_k和G_ε为湍动能和湍动能耗散率的产生项，c_μ=0.09，σ_ε=1.3，σ_k=1。0，c₁，c₂为常数。

    1.3 初始条件及取值

    以蝶阀圆管内流动为研究对象，圆管直径为300mm，计算区域长度为5000mm，入口离阀门模型距离为5倍圆管直径，出口距离阀门模型12倍圆管直径。利用四边形网格对计算区域离散，对边界和研究关注的部分进行网格局部加密，得到计算网格数273130个。入口条件为速度入口，出口条件为压力出口，其余均为壁面。

    采用基于压力的稳态隐式求解器，标准k－ε湍流模型，近壁面条件为标准壁面方程（StandardWallFunction），梯度选项为基于格林－高斯单元体（Green－GaussCellBased），压力－速度耦合项用SIMPLE方式求解，而对流项则用二阶迎风格式离散。其它参数及取值如表1所列。

表1 仿真计算初始条件设置

    2 计算结果分析

    2.1 不同类型阀板加强筋的影响

    图1所示为相同计算条件下，蝶阀阀板在100%开度下受到流体作用形成的压力场分布情况。

图1 压力分布情况

    图1中红色区域为高压区，蓝色区域为低压区。从结果可知，在阀板前端面，受到管道来流的影响，呈现较高压力；而后端面则广泛分布低压区域。相对于加强筋﹟形分布和◇形分布阀板而言，//形分布阀板的流场压力变化较为平缓，也就是说//形分布加强筋的阀板对流体的扰动较小，使得流经阀门的流体动力水头损失少，单位时间流体的流量比﹟形分布和◇形分布的要多。这一点在图2中更能清楚显示。

    图2为三种加强筋作用下流体经过阀门形成的二维流线图。//形分布的加强筋对流体流动特性的改变影响很小，流体经过阀板后几乎不改变流向保持原有流动特性；而◇形分布的加强筋迫使流体沿上下两侧运动，在流经阀门时被挤压，压力在管道截面分布出现不均匀；尤其是﹟形分布，其中间区域形成较明显的漩涡，加速圆管内流体在低雷诺数下从平流向湍流的转捩，对流经阀门的流体流量的影响非常大，流动阻力显著提升。

图2 流线图（Re=100）

    2.2 过流孔的影响

    早期研究表明阀板上呈#形分布的加强筋其结构要比相同参数下//形和◇形分布的强度大。结合上述三种情况所形成的圆管流动特性，考虑在﹟形分布加强筋上沿流向开设圆形过流孔，在不过多削弱结构强度前提下减少﹟形分布加强筋对流体的干扰作用。如图3所示，通过比较可清楚看到增加过流孔可极大提高流量，流线图显示原有漩涡消失，流动变得平缓。

图3 #形不带过流孔和带过流孔流场结构比较 

    2.3 管道内壁粗糙单元结构对内流场的影响

    蝶阀管道中的壁面粗糙度是影响管道内液体流动特性的一个重要因素，由粗糙度引起的流体扰动对管道内的流动具有重要影响。利用梯形、矩形和三角形粗糙单元来模拟实际管道中的粗糙度分布，如图4所示。得到粗糙管道内的流动阻力特性和流场结构，研究和分析不同雷诺数下粗糙单元引起的扰动对管道内流体流量和流动转捩的影响。

图4 管道中粗糙单元结构形态

    流体质量流量定义如式（2）：

        （2）

    式中：ρ为流体密度；υ为流速；A为管路面积。

    分析了四种雷诺数下（Re=300、3000、30000和300000）管道出口处流体质量流量的变化情况，其结果如图5所示。图5（a）～（c）分别为梯形粗糙单元、矩形粗糙单元以及三角形粗糙单元下蝶阀管道出口处流体质量流量随雷诺数的变化曲线，横坐标采用对数坐标系。

图5 不同粗糙单元引起管道出口处流体质量流量随Re变化情况

    由结果分析发现：不管何种粗糙单元，随着雷诺数的增大，出口处流体质量流量均随之增大（负号表示流体流向与规定的坐标系正向相反）。

    给出不同粗糙单元引起圆管出口处流体质量流量随Re变化情况比较分析，如图6所示。图6（a）为梯形粗糙单元与矩形粗糙单元比较情况，纵轴显示梯形粗糙单元圆管出口处流体质量流量与矩形粗糙单元圆管出口处流体质量流量之差值；图6（b）为三角形粗糙单元与矩形粗糙单元比较情况。总体而言，相同雷诺数下，矩形粗糙单元的出口处流体质量流量要比其他两种情况小。该差异随着雷诺数的增大呈现增大趋势，但在中间出现小幅波动，如雷诺数为3000时这种差异要比雷诺数为30000时大。该差异可能是不同粗糙单元阀门管道内部的涡量场的结构不同导致的。

图6 不同粗糙单元引起圆管出口处流体质量流量随Re变化情况比较分析

    以梯形粗糙单元为例，给出了阀门流道内部的二维切面上涡量场随雷诺数的变化情况，在计算范围内，当流体雷诺数为300时，管道内就已经出现较明显的卡门漩涡，旋向相反的涡街交替出现，强度随着雷诺数的增加而增大；随着雷诺数进一步增大，管内涡量强度在粗糙单元附近要比管道内其他地方大很多，且卡门漩涡结构也逐渐变得不明显，该结果说明圆管内表面粗糙单元引起的扰动对管道内流动转捩有非常明显的影响。

    3 结论

    基于流体动力学原理分析不同类型加强筋以及在﹟形分布的加强筋上开设过流孔对管内流动特性的影响；给出不同雷诺数下管内壁梯形、矩形和三角形粗糙单元对管道出口处流体质量流量的改变情况，并从涡街结构和强度等角度对原因进行解释。得出如下结论。

    （1）相同条件下，加强筋//形分布的阀板流场压力变化较为平缓，即//形分布对流体的扰动较小，流经阀门的流体动力水头损失少，单位时间流体的流量比﹟形分布和◇形分布要多。

    （2）开设过流孔不仅可以极大提高流量，流动变得平缓，而且对阀板结构强度的影响不太大。

    （3）不管何种粗糙单元，随着雷诺数增大，出口处流体质量流量均随之增大；相同雷诺数下，矩形粗糙单元的出口处流体质量流量比其他两种情况小。

    综上所述，综合考虑阀门结构强度和对内部流体流动特性的影响，蝶阀宜采用带有过流孔﹟形分布加强筋的阀板。今后需深入考虑过流孔的尺寸、分布方式和形态等参数以及管道内壁其他因素对内部流动的影响。