基于數值仿真的蝶閥性能對比分析

　　以連續(xù)性方程、三維雷諾平均N-S方程和基于各向同性渦粘性理論的k-ε方程組成蝶閥內部流動數值模擬的控制方程組，并根據數值計算具體要求，設定出適當的邊界條件，采用結構與非結構網格相結合有限體積法對控制方程組進行離散，應用CFD軟件Fluent對雙偏心蝶閥、單偏心蝶閥、桁架式蝶閥以及龜背式蝶閥進行內部三維湍流流動數值模擬的對比分析。通過對數值模擬結果的分析和對比，在獲得蝶閥宏觀性能曲線的基礎上，分析其內部微觀流場結構與宏觀外部特性之間的關系。通過分析，桁架式蝶閥全開時的過流特性最優(yōu)，雙偏心蝶閥改善了閥門的動力特性和逆向自密封性，使它具有優(yōu)良的調節(jié)特性和增加閥門的使用壽命。通過對比分析，獲得四種蝶閥的性能以及各種蝶閥的特點，從而為蝶閥的設計和選用提供參考。

　　蝶閥是流體傳輸與控制技術中重要的基礎元件，是流體工程系統(tǒng)中調節(jié)和控制流體，以實現流體生產功能、確保工程安全的重要設備，被廣泛應用于航空航天、工農業(yè)生產和日常生活等各個領域。蝶閥主要用于截斷或接通介質流，在某些特殊的情況下允許用來在一定范圍內調控介質的流量和壓力。它的這種外在的調控能力及特性，主要還是取決于其內部流場的結構及變化規(guī)律。

　　傳統(tǒng)的試驗研究方法雖然可以精確地獲得蝶閥的宏觀外部特性，但是其周期長、成本高，不能獲得蝶閥內部的微觀流場結構。筆者應用計算流體動力學方法對不同結構形式的蝶閥進行數值模擬研究，在獲得各種性能曲線的基礎上，對比分析內部微觀流場結構與宏觀外部特性之間的關系，為蝶閥的設計與研究提供進一步的參考。

1、數值模擬過程控制方程組

　　閥門進水管道、出水管道中的實際流動是湍流。在定常條件下，采用k-ε湍流模型時，描述偏心蝶閥進出水管道內的定常不可壓縮流動的方程如下：連續(xù)性方程為

　　動量方程為

　　紊動能k方程為

　　紊動能耗散率ε方程為

　　上面各式中xi(i=1，2，3)為笛卡兒坐標系坐標;ui(i=1，2，3)為沿i方向的速度分量;fi為沿i方向的質量力;p為壓力;ρ為水的密度;ν為水的運動粘性系數;P為紊動能生成項，其表達式為

　　式中

　　νt為渦粘性系數，可采用式(6)進行計算：

　　k-ε模型中經驗常數的取值通常情況下為Cμ=0.09，Cε1=1.44，Cε2=1.92，σk=1.0，σε=1.3。

　　流場出口：在此只考慮在流道內的流動，而且在流道出口處水流一般是充分發(fā)展的湍流，一般認為此時的下游邊界的流動狀態(tài)影響不到上游方向的流場。因此，在流場出口的邊界條件僅為沿垂直于該斷面方向的壓力梯度為零，此外，

　　固壁邊界：在固壁上采用無滑移條件，有速度u=v=w=0，且因本次計算主要考慮局部損失，則固壁處的摩阻流速不計。

2、蝶閥計算區(qū)域及計算模型

　　取蝶閥閥體以及閥體前后進出水管道為計算區(qū)域，為保證此時的邊界上為完全發(fā)展的湍流運動，桁架式蝶閥和龜背式蝶閥取閥前5×D管道及閥后20×D管道為計算區(qū)域，單偏心蝶閥和雙偏心蝶閥取閥前5×D管道及閥后10×D管道為計算區(qū)域，以保證進出口面流動穩(wěn)定均勻。

　　為了保證計算的精度，采用分塊網格劃分的方法劃分網格，進出水管道部分以結構化網格劃分，閥體部分以非結構網格劃分，并將蝶板周圍的網格局部加密;以連續(xù)性方程、三維雷諾平均N-S方程和基于各向同性渦粘性理論的k-ε雙方程組成蝶閥內部流動數值模擬的控制方程組，采用有限體積法對控制方程組進行離散;采用求解壓力耦合方程的半隱式SIMPLE算法;本次計算的進口處邊界條件為速度進口，龜背式與桁架式蝶閥取進口速度為v=1m/s，單偏心與雙偏心蝶閥取進口速度v=2m/s，出口處為壓力出口。龜背式蝶閥與桁架式蝶閥以Z軸為流向，單偏心蝶閥以Y軸為流向，雙偏心蝶閥以X軸為流向。

3、數值模擬計算結果及分析

3.1、蝶閥全開時

　　桁架式蝶閥全開時，沒有出現旋渦流動，壓力與流速分布較均勻，蝶板附近沒有明顯的壓降，整個流態(tài)相當平穩(wěn)，這主要是因為桁架式設計大大增加了全開時的過流面積，使局部阻力降低到最小，這就決定了過閥損失系數必定較小，全開時過閥損失系數為ξ=0.102，是國內現有蝶閥類產品中過閥損失系數最小的。

　　雙偏心蝶閥在全開的情況下，閥體內部流場的壓力與流速分布較均勻，蝶板附近沒有明顯的壓降，整體流態(tài)比較平穩(wěn)。由XY截面和YZ截面等勢圖可以發(fā)現，由于偏心的作用，閥板在管道中避開了高速的主過流區(qū)，使得雙偏心蝶閥的有效過流面積增大，極大地降低了過閥損失。此時，通過觀察XZ截面等勢圖特別是X方向速度的等速圖，還可以看出其結構的非對稱性造成了蝶板下邊緣處會出現較小的漩渦，而在面向來流方向的蝶板前緣和近壁面位置存在一定的壓力、速度梯度。

　　單偏心蝶閥在全開時XZ截面上的閥軸后部存在明顯的漩渦運動，渦區(qū)擾動劇烈，消耗了大部分的機械能，產生的回流區(qū)阻塞了流道，減小了蝶閥的過流面積;由于蝶板前緣正面對管道內流速最快的高速區(qū)，由XY截面上的等壓力圖可以發(fā)現，此時蝶板前緣的壓力梯度較雙偏心蝶閥明顯增多;而YZ截面上的流動相對較為平穩(wěn)，與雙偏心蝶閥相差不大。

3.2、蝶閥相對開度為0.5時

　　龜背式蝶閥在關閉角度大于20°時(如圖1a所示)，在蝶閥背面開始出現漩渦流動，當關閉角度變?yōu)?5°時(如圖2所示)，蝶閥背面的漩渦流動更加明顯。由于蝶閥背面存在局部低壓區(qū)，從蝶閥上方越過流體部分折向下流，從蝶閥下方流過的流體部分折向上流，從而形成兩個大小相等，方向相反的漩渦，并形成回流區(qū)，兩個漩渦向下發(fā)展過程中相互作用，逐漸減弱，最后基本消失。對于桁架式蝶閥，當關閉20°時(如圖1b，1c所示)，流動的不均勻性加強，產生漩渦的趨勢加強;當蝶閥關閉40°時(如圖3a，3b，3c所示)，XY截面的漩渦流動加強，在XZ截面和YZ截面出現漩渦流動。其中，XZ截面的漩渦在管道中部，呈對稱分布，YZ截面的漩渦出現在較大的碟板背面中部。此時，由于過流面積主要受較大的蝶板的影響，蝶閥的性能開始與龜背式蝶閥的性能相似。在雙偏心蝶閥關閉20°時(如圖1h，1i所示)，流態(tài)均勻改變，隨著雙偏心蝶閥相對開度降低為0.5，即雙偏心蝶閥關閉40°時(如圖3h，3i，3j，3k所示)，在XY截面與YZ截面渦流運動較為劇烈的區(qū)域均出現了漩渦流動，表現出了較強的一致性。其中，通過觀察XY截面速度矢量圖可以發(fā)現，由于蝶閥背面存在的局部低壓區(qū)，造成了從蝶閥上方越過的流體部分折向下流，從蝶閥下方流過的流體部分折向上流，使XY截面蝶板的前后緣附近具有明顯的、與主流性質不同的從屬二次流流動，基本控制了蝶閥閥體內部的主流動流場，甚至影響到了雙偏心蝶閥出口處的出水流道內部流場。不過由于蝶板的流線型設計，漩渦運動仍然被控制在較小范圍內;而YZ截面上的漩渦運動主要為兩個強度相同、方向相反的對稱渦，增加了蝶板板筋及閥軸邊緣壓力梯度和速度梯度;在YZ截面的靠近閥體邊緣的部分有一個速度較小、壓力相對較高的滯水區(qū)，出現了漩渦運動的趨勢。可以認為此時的雙偏心蝶閥外部宏觀特性很大程度上由XY截面和YZ截面上的渦運動決定。當單偏心蝶閥關閉20°時(如圖1d，1e，1f，1g所示)，蝶板后面出現擾流，當蝶閥關閉40°時(如圖3d，3e，3f，3g所示)，與雙偏心蝶閥相同，在XY截面與YZ截面均出現了具有較強一致性的漩渦流動。在此開度下，3個截面上的漩渦運動都已經出現，單偏心蝶閥與雙偏心蝶閥內部的流場已經基本相同。而此時的宏觀性能曲線在閥門關閉40°時，兩種蝶閥的性能曲線也已經基本重合，證明了流場內的漩渦運動對于其宏觀外部性能具有決定性影響。

圖1 絕對開度70°時數值模擬結果

圖2 龜背式關閉35°時各截面流速矢量圖

圖3 絕對開度50°時數值模擬結果

3.3、蝶閥相對開度為0.1時

　　對于龜背式蝶閥，隨著關閉角度的繼續(xù)增大，在YZ界面上的回流區(qū)也逐漸增大，控制整個流場的結構;當關閉到85°時，在閥瓣的上下方分別形成兩個很大的回流區(qū)，回流區(qū)中心壓力最低。對于桁架式蝶閥，關閉60°時，YZ截面的旋渦基本靠近較大的蝶板的下緣點，XY截面與XZ截面有出現二次旋渦流動的趨勢，XZ截面的一次旋渦向下游發(fā)展，此時蝶板附近的壓力梯度變得很大;蝶閥關閉70°時，XY截面和XZ截面出現二次旋渦流動，XZ截面的一次旋渦進一步向下游發(fā)展，YZ截面有出現二次旋渦流動的趨勢，蝶板附近的壓力梯度進一步增大;蝶閥關閉80°時，3個截面的旋渦運動都進一步增強，在YZ截面上，桁架內出現二次旋渦流動，而在XY截面和XZ截面，桁架內出現三次旋渦流動，蝶板的附近形成很大的回流區(qū)，回流區(qū)中心壓力最低。對于雙偏心蝶閥，隨著相對開度降低為0。1，蝶板附近的速度梯度、壓力梯度進一步增大，閥門3個截面上的漩渦運動變得更加劇烈;此時，在XY截面的過流斷面上，壓力、速度梯度集中在蝶板前后緣與密封副的交界處，在蝶板附近的渦區(qū)開始逐漸向管道的下游發(fā)展，閥體內部的流場出現了明顯的二次漩渦流動，同時XY截面上蝶板后部出現了范圍較大的兩個相互分離的回流區(qū)，其中，位于上部的回流區(qū)影響范圍更大，回流區(qū)中心壓力最低，成為雙偏心蝶閥閥體內的主要擾動。對于單偏心蝶閥，當關閉80°時，由于蝶板的對稱結構，蝶板后的回流區(qū)并沒有相互分離，而是連成了一個統(tǒng)一的大范圍回流區(qū)，控制了閥體及出水管道內的流動;在XY截面、YZ截面上，均出現了二次漩渦運動，這些回流及漩渦運動極大的影響著單偏心蝶閥的宏觀性能。

　　通過對比計算可以發(fā)現：當關閉角度小于30°時，桁架式蝶閥有非常優(yōu)異的過流特性，過流面積大，流阻小，流態(tài)比較穩(wěn)定。隨后，桁架式蝶閥的性能開始向龜背式蝶閥的性能惡化，但始終還是優(yōu)于龜背式蝶閥的性能;當關閉角度極大時，出現三次旋渦流動，這在龜背式蝶閥中極少見。雙偏心蝶閥由于其本身的不對稱性，使閥門被開啟后蝶板能迅即脫離閥座、大幅度地消除了蝶板與閥座的不必要的過度擠壓、刮擦現象，減小了開啟阻距、降低了磨損、提高了閥座壽命;但是與單偏心蝶閥對比，其結構的不平衡性也給閥門本身的內部流場帶來了相應的損失，當開度較大時，雙偏心蝶閥具有較好的過流特性，流態(tài)比較穩(wěn)定，壓力梯度較小，但當開度逐漸減小時，其雙偏心結構更加容易引起XY平面上的擾動，從而引起漩渦與損失。

4、結論

　　分析上述雙偏心碟閥內部流場三維數值模擬和性能預測的研究結果可以得出以下結論：

　　(1)在閥門全開的情況下，桁架式蝶閥的過流特性最優(yōu)，對流體的擾動也最小，水力損失系數為0.102。

　　(2)軸面(XY截面)上的計算簡圖和流場的非對稱性充分地反映了這種雙偏心碟閥的結構特點。閥門全開(開度為90°)時，雖然在蝶板的下邊緣處出現了較小的漩渦，同時碟板仍為軸面占流面積較大的龜背式，但由于蝶板避開高速主過流區(qū)，閥門的有效過流面積和綜合過流能力加大了。表現為流量系數較大(C≈66500);水力損失系數ξ≈0.289，計算工況下的水頭損失ΔH=0.169m，流動阻力較小。

　　(3)開度大于70°時，桁架式蝶閥與偏心蝶閥具有優(yōu)異的過流特性，流態(tài)比較穩(wěn)定，壓力梯度較小，此時，桁架式蝶閥的過流性能最好。

　　(4)對于偏心蝶閥，隨著閥門開度逐漸降低，由于鈍體繞流作用，水流繞過蝶板邊緣后發(fā)生分離，形成兩個相似的對稱分布的耗能旋渦區(qū)，在往下游流動的過程中旋渦逐漸減弱并趨向均勻。當開度小于20°時，流場呈現較大的非對稱回流區(qū)，有出現二次旋渦流動的趨勢，回流區(qū)內中心壓力較低，并控制了閥門整個流場的流動結構。

　　(5)對比其他蝶閥，雙偏心碟閥的固有流量特性預測曲線的線形要靠近線性關系一些，說明該閥具有相對優(yōu)良的調節(jié)特性。

　　(6)雙偏心結構打破了傳統(tǒng)蝶閥閥板受力平衡，改善了閥門的動力特性和逆向自密封性。啟閉動作時蝶板能迅即脫離或貼合閥座，消除了蝶板與閥座間的擠壓刮擦現象，降低了磨損、提高了閥座乃至閥門的使用壽命。