三偏心蝶閥的流場和阻力特性研究

　　通過流阻試驗獲得了直徑為680mm的三偏心蝶閥在不同開度和速度下的流阻系數(shù)。以試驗結(jié)果為基礎(chǔ)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的數(shù)值模型。利用該數(shù)值模型對試驗蝶閥在90°、70°、50°開度下的流場和流阻系數(shù)進行預(yù)測，90°代表全開。試驗結(jié)果表明，50°開度的流阻系數(shù)值約為90°開度流阻系數(shù)值的9倍；三偏心蝶閥全開時的流阻系數(shù)值約為中線蝶閥全開時流阻系數(shù)值的6倍。數(shù)值分析表明，全開狀態(tài)下，三偏心蝶閥閥板處存在的漩渦比中線蝶閥多，可對三偏心蝶閥閥板形狀進行優(yōu)化，以減小流阻系數(shù)；隨著開度減小，流體的流動產(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(jié)構(gòu)簡單、體積小、操作簡單，被廣泛應(yīng)用于管線中，發(fā)揮截斷和流量調(diào)節(jié)功能。為滿足各種工況要求，蝶閥先后經(jīng)歷了從中線蝶閥向單偏心蝶閥、雙偏心蝶閥和三偏心蝶閥的演變。三偏心蝶閥是結(jié)構(gòu)最先進的一種蝶閥，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，正得到越來越廣泛的應(yīng)用。

　　流阻系數(shù)是衡量閥門性能優(yōu)劣的主要參數(shù)之一。它影響管路的阻力特性，是設(shè)計者和用戶非常關(guān)注的參數(shù)。但是，目前包括《實用閥門設(shè)計手冊》在內(nèi)的專業(yè)文獻均沒有提供三偏心蝶閥的流阻系數(shù)值，不利于工程設(shè)計和實際應(yīng)用。蝶閥的流阻系數(shù)與繞流蝶閥的流場緊密相關(guān)，可以通過模型試驗和數(shù)值計算2種方法獲得三偏心蝶閥的流阻系數(shù)。模型試驗花費多，從開始制造到完成試驗的周期長，并且試驗對象和試驗工況有限；而數(shù)值計算不僅能彌補模型試驗的缺點，在預(yù)測蝶閥流阻系數(shù)的同時還能獲得繞流蝶閥的流場細節(jié)，可以更有效地對蝶閥結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，目前已廣泛地應(yīng)用于包括蝶閥在內(nèi)的各種流體機械中。三偏心蝶閥的研究集中于結(jié)構(gòu)設(shè)計，沒有關(guān)于其流阻系數(shù)和流場的研究報道，但其它類型的蝶閥均有相關(guān)報道。

　　本文將分享已有的三偏心蝶閥流阻試驗結(jié)果，為蝶閥設(shè)計者和用戶提供準確的三偏心蝶閥流阻系數(shù)試驗值，節(jié)約其研究經(jīng)費和時間；另外，將以試驗結(jié)果為基礎(chǔ)建立數(shù)值模型，對三偏心蝶閥的流場和阻力特性進行數(shù)值研究，詳細分析和總結(jié)三偏心蝶閥的流動特點，為其實際應(yīng)用和優(yōu)化設(shè)計打下基礎(chǔ)。

2、三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)

　　三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示。它具有3個偏心，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(zhuǎn)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(zhuǎn)中心與閥體中心線之間的徑向距離；β為角偏心，表示閥座旋轉(zhuǎn)中心線與閥體中心線之間的角度。

圖1 三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)

　　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個偏心的存在，三偏心蝶閥為偏置板式結(jié)構(gòu)，閥板形狀不對稱。

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(nèi)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度來流速度下的流阻系數(shù)進行測量。試驗回路出口布置一臺變頻軸流風(fēng)機改變來流速度；回路進口布置一個整流柵，保證進入蝶閥的來流速度均勻；試驗蝶閥前后各布置一個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口和蝶閥出口10倍管徑處，以保證測量結(jié)果的準確度。試驗參考標準JB/T5296—91《通用閥門流量系數(shù)和流阻系數(shù)的試驗方法》進行，在江蘇神通閥門股份有限公司完成。

圖2 DN650三偏心蝶閥的流阻試驗回路

3.3、試驗內(nèi)容

　　試驗?zāi)康氖菧y量DN650三偏心蝶閥在不同開度和不同來流速度下的流阻系數(shù)，因此，試驗內(nèi)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，改變不同來流速度，通過兩個壓力傳感器獲得空管的壓差，進一步擬合得到空管壓差與來流速度之間的數(shù)學(xué)表達式。

　　(2)固定蝶閥開度，測量不同來流速度下蝶閥本體引起的壓差。首先固定蝶閥開度，改變來流速度，獲得蝶閥前后的壓差；將來流速度代入第一部分所得的空管壓差與來流速度的關(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。同時在試驗中測量試驗環(huán)境參數(shù)，包括溫度、壓力、濕度。然后將蝶閥固定在不同開度，采用相同步驟進行不同來流速度的試驗。最后將測量結(jié)果進行整理，獲得DN650三偏心蝶閥在不同開度和不同來流速度下的流阻系數(shù)曲線。

　　對DN650三偏心蝶閥在6個開度(90°、85°、80°、70°、60°、50°)下的流阻系數(shù)進行了測量，其中90°開度代表蝶閥處于全開狀態(tài)。

　　蝶閥流阻系數(shù)定義如下：

　　式中 Δp———被測閥門的壓力損失，Pa

　　ρ———介質(zhì)密度，kg/m3，取回路進口處平均密度

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

3.4、試驗結(jié)果

　　DN650三偏心蝶閥的流阻試驗結(jié)果如圖3所示。由圖可見，隨著蝶閥開度的減小，流阻系數(shù)逐漸變大，蝶閥在50°開度下的流阻系數(shù)平均值達到10.027，而全開時的流阻系數(shù)平均值為1.132，前者約是后者的9倍。《實用閥門設(shè)計手冊》中列出的中線蝶閥全開時流阻系數(shù)值約為0.24，接近三偏心蝶閥全開時流阻系數(shù)值的1/6。

圖3 DN650三偏心蝶閥的流阻試驗結(jié)果

4、三偏心蝶閥流場的數(shù)值研究

4.1、計算模型

　　計算模型共包括蝶閥進口延長段、蝶閥段和蝶閥出口延長段3個部分。

　　為了更準確地預(yù)測三偏心蝶閥的流場，計算模型包括閥板、閥桿、閥座這些主要影響蝶閥流場的部件。計算時，蝶閥進口延長段長度取為10倍管道內(nèi)徑，出口延長段長度取為20倍管道內(nèi)徑。

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

圖4 DN650三偏心蝶閥流場計算模型

4.2、邊界條件

　　介質(zhì)為理想空氣。管道進口給定來流速度，在后文的結(jié)果分析時列出具體速度值；參考壓力設(shè)為1個大氣壓；出口設(shè)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(yīng)的壁面)設(shè)為絕熱、無滑移邊壁；蝶閥壁面粗糙度設(shè)為0.19mm。采用ANSYSCFX12.1進行三偏心蝶閥流場的定常計算。

4.3、網(wǎng)格劃分

　　選取90°、70°和50°3個開度進行計算，分別代表全開、較大開度、近似半開3種狀態(tài)。由于三偏心蝶閥流場計算的幾何模型既包含非全開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區(qū)域，流動區(qū)域尺寸變化大且形狀不規(guī)則，所以采用四面體網(wǎng)格劃分蝶閥段，在閥板、凸緣、閥座附近進行加密處理。對蝶閥進口延長段和出口延長段采用六面體網(wǎng)格，保證正確求解的同時減少網(wǎng)格數(shù)。

　　90°、70°和50°開度的計算網(wǎng)格數(shù)分別為333萬、481萬和327萬網(wǎng)格單元。90°開度的計算網(wǎng)格如圖5所示，70°和50°開度的網(wǎng)格與此類似。

圖5 DN650三偏心蝶閥的計算網(wǎng)格(90°開度)

4.4、湍流模型驗證

　　選擇70°開度作為湍流模型驗證的計算對象。針對70°開度不同來流速度工況，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(shù)，數(shù)值結(jié)果與試驗結(jié)果的比較如圖6所示。圖例中的“70°-test”表示70°開度下的流阻系數(shù)試驗結(jié)果，“70°-SST”表示采用SST湍流模型計算得到的70°開度下的蝶閥流阻系數(shù)值，其余標識的意義與此相似。由圖可見，對于70°開度下的每個速度工況，4種湍流模型的計算結(jié)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(qū)域計算的優(yōu)點，它考慮了湍流剪切應(yīng)力的輸運，可對逆壓梯度下的流動分離現(xiàn)象給出更精確的預(yù)測，而繞流蝶閥的流場容易出現(xiàn)流動分離現(xiàn)象，所以本文選擇SST模型。

圖6 DN650三偏心蝶閥流阻系數(shù)試驗值與數(shù)值解的比較

5、計算結(jié)果分析

5.1、三偏心蝶閥的流場特性

　　給定進口來流速度為19.05m/s，采用上述數(shù)值模型對DN650蝶閥在90°、70°和50°3個開度下的流場進行數(shù)值模擬。

　　5.1.1 速度等值線分布

　　計算所得的速度等值線分布如圖7所示。氣流流動方向均是從左向右。由圖7可見，三偏心蝶閥全開時，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。中線蝶閥由于閥板形狀呈流線型對稱，全開時的流速分布不存在上述漩渦。這也是本文三偏心蝶閥全開時流阻系數(shù)試驗值大于《閥門設(shè)計手冊》推薦的中線蝶閥流阻系數(shù)的主要原因，后續(xù)可以針對本文的三偏心蝶閥閥板形狀進行優(yōu)化，以減小流阻系數(shù)。

圖7 DN650三偏心蝶閥不同開度下的速度等值線分布

　　3個開度下，駐點均位于上游閥板面靠近前緣邊處。從90°大開度到50°小開度，駐點位置逐漸向遠離前緣邊處移動；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流動區(qū)越來越大。由于前緣邊、后緣邊與管道壁面之間的縮頸處過流面積均逐漸減小，閥板附近的速度梯度增大，流動的不均勻性加強。在閥板、閥座和凸緣的共同作用下，隨著開度的減小，由于逆壓梯度產(chǎn)生的分離流區(qū)域逐漸變大。

　　5.1.2 壓力等值線分布

　　上、下游閥板面的壓力等值線分布圖如圖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，每個開度下的高壓區(qū)均位于凸緣至前緣邊之間的上游閥板面處，隨著開度變小，高壓值增大。由圖8(b)可見，下游閥板面的壓力值均低于對應(yīng)開度下的上游閥板面的壓力值，并且隨著開度的減小，下游閥板面的壓力值減小。即隨著開度減小，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，隨著開度減小，流體的流動產(chǎn)生與閥板關(guān)閉方向一致的力矩，即流體的流動有助于閥板的關(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(shù)數(shù)值預(yù)測值與試驗值進行比較，結(jié)果如圖6所示。由圖可見，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的趨勢一致，流阻系數(shù)均隨開度的減小而增大。50°開度時的流阻系數(shù)值遠大于70°開度和90°開度時的流阻系數(shù)值。這與上述流場分析中獲得的閥板產(chǎn)生的壓力損失隨開度減小而變大相一致。70°和90°開度下的數(shù)值預(yù)測值與試驗值符合較好，兩者誤差最大值小于12%；而在50°開度下，數(shù)值預(yù)測值明顯小于試驗值。，原因可能是50°開度時的流動現(xiàn)象更復(fù)雜，對應(yīng)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，從而導(dǎo)致數(shù)值預(yù)測值小于試驗值。

6、結(jié)論

　　(1)DN650三偏心蝶閥流阻試驗結(jié)果表明：50°開度下的流阻系數(shù)平均值約為90°全開狀態(tài)下的流阻系數(shù)平均值的9倍；三偏心蝶閥全開時的流阻系數(shù)值約為中線蝶閥全開時流阻系數(shù)值的6倍；

　　(2)DN650三偏心蝶閥流場的定常數(shù)值分析表明：90°全開狀態(tài)時閥板處存在的漩渦比中線蝶閥的多，可對閥板形狀進行優(yōu)化，以減小流阻系數(shù)；隨著開度減小，流體的流動產(chǎn)生與閥板關(guān)閉方向一致的力矩，幫助閥板關(guān)閉。