三偏心蝶阀的流场和阻力特性研究

    1 引言

    蝶阀由于结构简单、体积小、操作简单，被广泛应用于管线中，发挥截断和流量调节功能。为满足各种工况要求，蝶阀先后经历了从中线蝶阀向单偏心蝶阀、双偏心蝶阀和三偏心蝶阀的演变。三偏心蝶阀是结构最先进的一种蝶阀，它具有优异的密封性能，可用于高温、高压环境，满足了电站、石油、化工、冶金等行业对管件的苛刻要求，正得到越来越广泛的应用。

    流阻系数是衡量阀门性能优劣的主要参数之一。它影响管路的阻力特性，是设计者和用户非常关注的参数。但是，目前包括《实用阀门设计手册》在内的专业文献均没有提供三偏心蝶阀的流阻系数值，不利于工程设计和实际应用。蝶阀的流阻系数与绕流蝶阀的流场紧密相关，可以通过模型试验和数值计算2种方法获得三偏心蝶阀的流阻系数。模型试验花费多，从开始制造到完成试验的周期长，并且试验对象和试验工况有限；而数值计算不仅能弥补模型试验的缺点，在预测蝶阀流阻系数的同时还能获得绕流蝶阀的流场细节，可以更有效地对蝶阀结构进行优化设计，目前已广泛地应用于包括蝶阀在内的各种流体机械中。三偏心蝶阀的研究集中于结构设计，没有关于其流阻系数和流场的研究报道，但其它类型的蝶阀均有相关报道。

    本文将分享已有的三偏心蝶阀流阻试验结果，为蝶阀设计者和用户提供准确的三偏心蝶阀流阻系数试验值，节约其研究经费和时间；另外，将以试验结果为基础建立数值模型，对三偏心蝶阀的流场和阻力特性进行数值研究，详细分析和总结三偏心蝶阀的流动特点，为其实际应用和优化设计打下基础。

    2 三偏心蝶阀的结构

    三偏心蝶阀的结构如图1所示。它具有3个偏心，分别由图1的a、b和β表示，其中：a为轴向偏心，表示阀板的旋转中心与蝶阀密封截面之间的轴向距离；b为径向偏心，表示阀板的旋转中心与阀体中心线之间的径向距离；β为角偏心，表示阀座旋转中心线与阀体中心线之间的角度。

图1 三偏心蝶阀的结构

    由于存在角偏心，三偏心蝶阀的阀板密封面形状为椭圆，不同于一般蝶阀的圆形密封面，它将阀板和阀座之间的密封形式由线密封优化为面密封，使得蝶阀密封性能更优。另外，由于3个偏心的存在，三偏心蝶阀为偏置板式结构，阀板形状不对称。

    3 三偏心蝶阀的流阻试验

    3.1 试验对象

    试验对象为一直径680mm的三偏心蝶阀（DN650三偏心蝶阀），它所在圆管内径680mm，蝶板最大厚度47mm。

    3.2 试验回路

    采用图2所示的试验回路对DN650三偏心蝶阀在不同开度来流速度下的流阻系数进行测量。试验回路出口布置一台变频轴流风机改变来流速度；回路进口布置一个整流栅，保证进入蝶阀的来流速度均匀；试验蝶阀前后各布置一个压力传感器测量空气绕流蝶阀产生的压差，压力传感器布置在远离蝶阀进口和蝶阀出口10倍管径处，以保证测量结果的准确度。试验参考标准JB/T5296—91《通用阀门流量系数和流阻系数的试验方法》进行，在江苏神通阀门股份有限公司完成。

图2 DN650三偏心蝶阀的流阻试验回路

    3.3 试验内容

    试验目的是测量DN650三偏心蝶阀在不同开度和不同来流速度下的流阻系数，因此，试验内容共包括2部分：

    （1）测量空管的压差。采用空的直管段代替蝶阀所在管段，改变不同来流速度，通过两个压力传感器获得空管的压差，进一步拟合得到空管压差与来流速度之间的数学表达式。

    （2）固定蝶阀开度，测量不同来流速度下蝶阀本体引起的压差。首先固定蝶阀开度，改变来流速度，获得蝶阀前后的压差；将来流速度代入第一部分所得的空管压差与来流速度的关系式中，插值得到空管压差；从测量得到的蝶阀前后压差中减去插值获得的空管压差，得到蝶阀本体所引起的压差。同时在试验中测量试验环境参数，包括温度、压力、湿度。然后将蝶阀固定在不同开度，采用相同步骤进行不同来流速度的试验。最后将测量结果进行整理，获得DN650三偏心蝶阀在不同开度和不同来流速度下的流阻系数曲线。

    对DN650三偏心蝶阀在6个开度（90°、85°、80°、70°、60°、50°）下的流阻系数进行了测量，其中90°开度代表蝶阀处于全开状态。

    蝶阀流阻系数定义如下：

        （1）

    式中  Δp———被测阀门的压力损失，Pa

    ρ———介质密度，kg/m³，取回路进口处平均密度

    V———管道内介质的平均流速，m/s，取回路进口处平均流速

    3.4 试验结果

    DN650三偏心蝶阀的流阻试验结果如图3所示。由图可见，随着蝶阀开度的减小，流阻系数逐渐变大，蝶阀在50°开度下的流阻系数平均值达到10.027，而全开时的流阻系数平均值为1.132，前者约是后者的9倍。《实用阀门设计手册》中列出的中线蝶阀全开时流阻系数值约为0.24，接近三偏心蝶阀全开时流阻系数值的1/6。

图3 DN650三偏心蝶阀的流阻试验结果

    4 三偏心蝶阀流场的数值研究

    4.1 计算模型

    计算模型共包括蝶阀进口延长段、蝶阀段和蝶阀出口延长段3个部分。

    为了更准确地预测三偏心蝶阀的流场，计算模型包括阀板、阀杆、阀座这些主要影响蝶阀流场的部件。计算时，蝶阀进口延长段长度取为10倍管道内径，出口延长段长度取为20倍管道内径。

    三偏心蝶阀流场计算模型如图4所示，该图对文中涉及到的主要术语均进行了标识。

图4 DN650三偏心蝶阀流场计算模型

    4.2 边界条件

    介质为理想空气。管道进口给定来流速度，在后文的结果分析时列出具体速度值；参考压力设为1个大气压；出口设定压力为零；管道壁面和蝶阀壁面（包括阀板、阀座、阀杆、凸缘对应的壁面）设为绝热、无滑移边壁；蝶阀壁面粗糙度设为0.19mm。采用ANSYSCFX12.1进行三偏心蝶阀流场的定常计算。

    4.3 网格划分

    选取90°、70°和50°3个开度进行计算，分别代表全开、较大开度、近似半开3种状态。由于三偏心蝶阀流场计算的几何模型既包含非全开工况下阀板与阀座之间非常小的间隙，又包含阀板外围较大的流动区域，流动区域尺寸变化大且形状不规则，所以采用四面体网格划分蝶阀段，在阀板、凸缘、阀座附近进行加密处理。对蝶阀进口延长段和出口延长段采用六面体网格，保证正确求解的同时减少网格数。

    90°、70°和50°开度的计算网格数分别为333万、481万和327万网格单元。90°开度的计算网格如图5所示，70°和50°开度的网格与此类似。

（a）  计算网格（90°开度）

（b）  阀板网格（90°开度）

图5 DN650三偏心蝶阀的计算网格（90°开度）

    4.4 湍流模型验证

    选择70°开度作为湍流模型验证的计算对象。针对70°开度不同来流速度工况，采用4种常用的湍流模型（SST，RNGk-ε，标准k-ε和标准k-ω）计算三偏心蝶阀的流阻系数，数值结果与试验结果的比较如图6所示。图例中的“70°-test”表示70°开度下的流阻系数试验结果，“70°-SST”表示采用SST湍流模型计算得到的70°开度下的蝶阀流阻系数值，其余标识的意义与此相似。由图可见，对于70°开度下的每个速度工况，4种湍流模型的计算结果非常接近，均小于试验值。由此可得，对于本文算例，湍流模型的影响比较小。由于SST模型综合了k-ω模型在近壁模拟和k-ω模型在边界层外区域计算的优点，它考虑了湍流剪切应力的输运，可对逆压梯度下的流动分离现象给出更精确的预测，而绕流蝶阀的流场容易出现流动分离现象，所以本文选择SST模型。

图6 DN650三偏心蝶阀流阻系数试验值与数值解的比较

    5 计算结果分析

    5.1 三偏心蝶阀的流场特性

    给定进口来流速度为19.05m/s，采用上述数值模型对DN650蝶阀在90°、70°和50°3个开度下的流场进行数值模拟。

    5.1.1 速度等值线分布

    计算所得的速度等值线分布如图7所示。气流流动方向均是从左向右。由图7可见，三偏心蝶阀全开时，阀板附近整体上流速分布比较均匀。但由于凸缘的存在，在凸缘与前缘边间的上游阀板面处存在漩涡；后缘边由于阀板厚度存在漩涡；下游阀板面的凹槽处也存在漩涡。中线蝶阀由于阀板形状呈流线型对称，全开时的流速分布不存在上述漩涡。这也是本文三偏心蝶阀全开时流阻系数试验值大于《阀门设计手册》推荐的中线蝶阀流阻系数的主要原因，后续可以针对本文的三偏心蝶阀阀板形状进行优化，以减小流阻系数。

（a）  90°开度

（b）  70°开度

（c）  50°开度

图7 DN650三偏心蝶阀不同开度下的速度等值线分布

    3个开度下，驻点均位于上游阀板面靠近前缘边处。从90°大开度到50°小开度，驻点位置逐渐向远离前缘边处移动；在前缘边和凸缘之间的上游阀板面，以及下游阀板面上的附着流动区越来越大。由于前缘边、后缘边与管道壁面之间的缩颈处过流面积均逐渐减小，阀板附近的速度梯度增大，流动的不均匀性加强。在阀板、阀座和凸缘的共同作用下，随着开度的减小，由于逆压梯度产生的分离流区域逐渐变大。

    5.1.2 压力等值线分布

    上、下游阀板面的压力等值线分布图如图8所示。图8所示的所有阀板面均是后缘边位于上部、前缘边位于下部。由图8（a）可见，每个开度下的高压区均位于凸缘至前缘边之间的上游阀板面处，随着开度变小，高压值增大。由图8（b）可见，下游阀板面的压力值均低于对应开度下的上游阀板面的压力值，并且随着开度的减小，下游阀板面的压力值减小。即随着开度减小，上游阀板面与下游阀板面之间的压差变大，阀板产生的压力损失变大。另外，图8（b）显示下游阀板面的高压靠近后缘边处，这与图8（a）高压位置正好相反，由此可得，随着开度减小，流体的流动产生与阀板关闭方向一致的力矩，即流体的流动有助于阀板的关闭。

（a）上游阀板面的压力分布（后缘边在上，前缘边在下）

（b）下游阀板面的压力分布（后缘边在上，前缘边在下）

图8 DN650三偏心蝶阀阀板的压力分布

    5.2 三偏心蝶阀的阻力特性

    将DN650三偏心蝶阀流阻系数数值预测值与试验值进行比较，结果如图6所示。由图可见，数值模拟结果与试验结果的趋势一致，流阻系数均随开度的减小而增大。50°开度时的流阻系数值远大于70°开度和90°开度时的流阻系数值。这与上述流场分析中获得的阀板产生的压力损失随开度减小而变大相一致。70°和90°开度下的数值预测值与试验值符合较好，两者误差最大值小于12%；而在50°开度下，数值预测值明显小于试验值。，原因可能是50°开度时的流动现象更复杂，对应的分离流和尾迹流具有更明显的非定常特性，而定常解不能反映出这种特点，从而导致数值预测值小于试验值。

    6 结论

    （1）DN650三偏心蝶阀流阻试验结果表明：50°开度下的流阻系数平均值约为90°全开状态下的流阻系数平均值的9倍；三偏心蝶阀全开时的流阻系数值约为中线蝶阀全开时流阻系数值的6倍；

    （2）DN650三偏心蝶阀流场的定常数值分析表明：90°全开状态时阀板处存在的漩涡比中线蝶阀的多，可对阀板形状进行优化，以减小流阻系数；随着开度减小，流体的流动产生与阀板关闭方向一致的力矩，帮助阀板关闭。