蘇 文，楊 偉，王和順

（西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,四川 成都 610039）

蝶閥是工業(yè)領(lǐng)域常用的一種調(diào)節(jié)閥，主要用于控制和調(diào)節(jié)流過管道的流量。閥瓣（蝶板）是蝶閥組件中控制流體流通的主要部件，閥瓣與閥體一般能形成0°到90°的開度，開口通道面積隨角度的變化增大或者減小，從而達(dá)到控制調(diào)節(jié)的目的。在實(shí)際開發(fā)過程中，對(duì)蝶閥的研究通常是先經(jīng)過理論計(jì)算，再進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合流體分析軟件，如FLUENT、CFX 等，將計(jì)算得到的數(shù)據(jù)作為參考，并進(jìn)行驗(yàn)證。在對(duì)三偏心蝶閥的研究中，文獻(xiàn)[1]研究不同偏心數(shù)的蝶閥，發(fā)現(xiàn)單偏心、雙偏心和三偏心蝶閥的流量系數(shù)和阻力系數(shù)完全不同。三偏心蝶閥的3 個(gè)偏心值影響流量系數(shù)和流阻系數(shù)。文獻(xiàn)[2]從三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)入手，以氮?dú)鉃榻橘|(zhì)，研究軸向偏心、徑向偏心和角度偏心與流量特性的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)徑向偏心值對(duì)流量特性的影響是3 個(gè)偏心值中最大的。文獻(xiàn)[3]研究不同開度下的連桿蝶閥，發(fā)現(xiàn)閥桿旋轉(zhuǎn)到60°以上時(shí)，閥門附近的蒸汽速度和渦流顯著增加，閥板上的蒸汽溫度高達(dá)400 K。文獻(xiàn)[4]對(duì)三偏心蝶閥流阻系數(shù)進(jìn)行數(shù)值分析后得出，三偏心蝶閥在閥板處存在的漩渦比中線蝶閥多，可對(duì)閥板形狀進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[5]測試DN200 三偏心蝶閥流阻系數(shù)，通過數(shù)值分析得出三偏心硬密封蝶閥在開度為0°到40°具有有效的流量調(diào)節(jié)能力，但此區(qū)間流動(dòng)穩(wěn)定性差。文獻(xiàn)[6]分析管道的沿程壓力損失，計(jì)算蝶閥在多種開度下的流阻系數(shù)，提出一種有效減小流阻系數(shù)的蝶板過流面。雖然關(guān)于三偏心蝶閥的研究有很多，但是關(guān)于通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)來優(yōu)化流量特性的研究卻少有報(bào)道。

本文以過熱蒸汽為介質(zhì)，給出CFD 模型，引入適合描述真實(shí)氣體的S-R-K 狀態(tài)方程，并求解得到流量特性曲線，分析特性曲線，改變蝶板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了10 種改進(jìn)方案，分析對(duì)比方案在開度80°到90°的流量特性曲線，得到優(yōu)化方案，最后結(jié)合壓力云圖和速度云圖對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)一步驗(yàn)證。

1 CFD 模型與網(wǎng)格劃分

三偏心蝶閥的組成部件主要包括蝶板、閥體、壓板、壓圈、墊圈、軸，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。其中：e是第一偏心距，為閥軸橫向中心與閥座橫向中心的距離；a是第二偏心距，為閥座縱向中心與閥軸縱向中心的距離；β是第三偏心角，為閥座橫向中心與閥座橫向中心繞和閥軸縱向中心的交點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的角度。消去倒角和小孔后的三偏心蝶閥幾何模型如圖2 所示。

圖1 三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 蝶板、閥體與軸的簡化幾何模型

為獲得該三偏心蝶閥的流量特性曲線，需要獲取不同開度下的流量數(shù)據(jù)。從5°開始，以每5°為一個(gè)間隔，計(jì)算到90°，共 18 個(gè)開度。通過布爾運(yùn)算，得到該三偏心蝶閥的計(jì)算域。為減少回流現(xiàn)象的產(chǎn)生，流體域上游長度取12d（d=0.315 m），下游長度取20d[7]，均以閥體兩端面開始計(jì)算長度。開度60°時(shí)的流體計(jì)算域整體模型如圖3 所示。

圖3 開度60°的流體計(jì)算域模型

在閥體流場域中，幾何形狀較為復(fù)雜，因此：選擇的網(wǎng)格類型為四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對(duì)于上下游使用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格；為減少不必要的計(jì)算時(shí)間，考慮對(duì)稱性，選擇建立1/2 的模型。開度60°時(shí)蝶閥處的網(wǎng)格模型如圖4 所示。

圖4 開度60°的網(wǎng)格模型

2 流體分析

2.1 FLUENT 參數(shù)設(shè)置

該過熱蒸汽的環(huán)境是0.1 MPa 和573.15 K，計(jì)算的聲速在此環(huán)境下為585.67 m/s。在整個(gè)計(jì)算域中，流體速度較高，大部分區(qū)域的馬赫數(shù)超過0.3，甚至超過1，必須考慮其可壓縮性，因此，密度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、黏度系數(shù)視為變量。

過熱蒸汽不完全符合固有氣體定律，應(yīng)作為真實(shí)氣體進(jìn)行處理。本文采用雷德利希-鄺氏方程的一種修正方程，即索阿韋-雷德利希-鄺氏方程，簡稱S-R-K 方程[8]對(duì)過熱蒸汽的密度進(jìn)行描述。

比熱容、熱導(dǎo)系數(shù)、黏度均采用與溫度相關(guān)的四次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合。雖然表達(dá)式一樣，但擬合系數(shù)相異，表達(dá)式為

式中 ?分別表示比熱容Cp（J/(kg·K)）、導(dǎo)熱系數(shù)（W/(m·K)）、黏度系數(shù)（kg·m·s）。導(dǎo)熱系數(shù)和黏度系數(shù)采用缺省值，比熱容擬合多項(xiàng)式系數(shù)[9]如表1所示。

表1 比熱容擬合多項(xiàng)式系數(shù)

在利用FLUENT 軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算之前需要對(duì)其中的必要參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。過熱蒸汽流過蝶閥過流面時(shí)，速度往往發(fā)生劇烈變化，產(chǎn)生強(qiáng)烈湍流。對(duì)于湍流的數(shù)值模擬，常采用兩方程k??湍流模型，因此，本文采用此模型模擬過熱蒸汽在流體域內(nèi)的湍流狀態(tài)。本文使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)來描述邊界層，須考慮流體的重力。本文采用Pressure Based下的壓力與速度耦合算法PBCS 進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。為獲取穩(wěn)定時(shí)的流速、流量等數(shù)據(jù)，本文選擇穩(wěn)定分析。流體域內(nèi)溫度發(fā)生變化，因此考慮能量守恒方程。對(duì)于邊界條件，入口邊界條件類型為壓力入口，出口邊界條件類型為壓力出口。壁面邊界條件為靜止非滑移，絕熱。設(shè)置離散格式、松弛因子后進(jìn)行初始化并計(jì)算求解。

2.2 流量系數(shù)計(jì)算

過熱蒸汽為可壓縮氣體，根據(jù)文獻(xiàn)[10]，基于膨脹系數(shù)法的可壓縮氣體的流量系數(shù)計(jì)算公式為

式中:N6為數(shù)字常數(shù)；W為流體質(zhì)量流量，kg/h；Fp為 管道幾何形狀系數(shù)；P1為 入口處壓強(qiáng)，kPa；Y為膨脹系數(shù)；xs為 計(jì)算壓差比；ρ1為P1和T1時(shí)的流體密度，kg/m3。本文各參數(shù)[10]取值如表2 所示。

表2 流量系數(shù)計(jì)算相關(guān)物理參數(shù)及取值

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

假設(shè)在整個(gè)工況中，經(jīng)過閥門的壓力降恒定，根據(jù)流量系數(shù)計(jì)算公式計(jì)算出的結(jié)果擬合出該三偏心蝶閥的固有流量特性曲線，如圖5 所示。

圖5 原模型的固有流量特性曲線

當(dāng)?shù)y開度在5°到30°時(shí)，基本符合等百分比流量特性，在這個(gè)階段蝶閥具有良好的調(diào)節(jié)控制能力和精度。當(dāng)?shù)y開度逐漸增大達(dá)到35°到65°時(shí),等百分比流量特性消失，逐漸接近于線性流量特性，蝶閥的調(diào)節(jié)控制能力和精度下降。當(dāng)?shù)y開度達(dá)到70°以后，流量特性變差，曲線斜率不斷下降，尤其是當(dāng)開度達(dá)到80°之后，流量系數(shù)值反而降低，表明蝶閥的調(diào)節(jié)控制能力和精度大為降低，因此該固有流量特性需要優(yōu)化。

3 結(jié)構(gòu)與流量特性優(yōu)化

結(jié)構(gòu)因素對(duì)流量特性的影響主要在于不同的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致流體具有不同的流動(dòng)狀態(tài)，從而影響輸出流量。本文通過改變結(jié)構(gòu)形態(tài)以達(dá)到優(yōu)化流量特性的目的，并結(jié)合壓力場與速度場進(jìn)一步驗(yàn)證其可靠性。

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

除規(guī)定的蝶板直徑與軸孔直徑外，蝶板的外形結(jié)構(gòu)由以下因素控制：錐面凸臺(tái)、錐面斜度、蝶板底面凹槽深度、壓板厚度、第一偏心距e、第二偏心距a，第三偏心角 β。本文從蝶板的外形入手，對(duì)蝶板外形按照單一因素變量法進(jìn)行修改，將所得的流量數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并從其中選出最優(yōu)的修改方案。原模型與各方案的效果圖如圖6 所示（圖中綠色虛線代表原方案的位置，紅色虛線代表改動(dòng)之后的位置）。表3 是開度為80°到90°的各種外形被改變之后計(jì)算得到的流量系數(shù)。圖7 為各方案在該范圍的流量系數(shù)—相對(duì)開度曲線。

表3 各種方案下在開度80°～90°的流量系數(shù)

圖6 原方案與方案1—10 對(duì)比圖

在圖7 中，所有方案的流量特性曲線均為下降趨勢。為分析流量特性的優(yōu)劣，需將各曲線的變化幅度與原模型進(jìn)行比較。因此，計(jì)算出各方案相鄰開度之間流量系數(shù)差值，將其作為因變量，并分別在同一假定自變量范圍內(nèi)繪制直線斜率圖，如圖8所示。

圖8 開度80°、85°和90°相鄰兩開度間流量系數(shù)差值的直線斜率圖

該三偏心蝶閥流量特性曲線的優(yōu)化主要集中在開度80°到90°，在此區(qū)間，蝶閥的調(diào)節(jié)控制能力較其他開度都大為降低。以原模型在開度80°到90°的流量特性曲線為基準(zhǔn)，比較各方案在此區(qū)間的流量特性曲線變化斜率，曲線越緩斜率越大，在同一開度下具有更高的調(diào)節(jié)能力和精度。在圖8中，方案1、方案5、方案6、方案7、方案10 的斜率值大于原模型，表明在圖7 中這些方案的流量系數(shù)變化量曲線比原模型更平緩，更利于優(yōu)化流量特性。此5 個(gè)方案中，方案7 的斜率遠(yuǎn)大于其他方案，因此選擇方案7 作為優(yōu)化流量特性的最佳方案，即蝶板底面與壓板外端面等高。

3.2 原模型與優(yōu)化方案7 的壓力場對(duì)比分析

原模型與優(yōu)化方案7 在開度80°和90°的壓力場云圖如圖9 和圖10 所示。從開度70°到90°，通過蝶板兩側(cè)的高壓區(qū)變化相對(duì)平穩(wěn)，中、低壓區(qū)變化較為明顯。

圖9 原模型與優(yōu)化方案7 在開度80°壓力場云圖

圖10 原模型與優(yōu)化方案7 開度90°壓力場云圖

通過對(duì)比，可以看出優(yōu)化后的蝶板兩側(cè)的中低壓區(qū)分布明顯具有更好的對(duì)稱性與均勻性，蝶板在使用過程中兩側(cè)形成更小的壓差，壓力梯度得到有效減小，從而減小蝶閥震顫，增強(qiáng)平穩(wěn)性。

3.3 原模型與優(yōu)化方案7 的速度場對(duì)比分析

在三偏心蝶閥下游靠近中央有一低速區(qū)，該低速區(qū)的范圍大小與偏斜角度對(duì)管道內(nèi)壁的沖擊力和流體穩(wěn)定流動(dòng)的形成均有影響，范圍越大，形成穩(wěn)流的時(shí)間越長，反之，越短。偏斜角越大，對(duì)管道的沖擊越強(qiáng)烈，穩(wěn)定性越差。因此，需獲得小范圍與小偏斜角度的這種低速區(qū)以加快流體形成穩(wěn)定流動(dòng)并減小流體對(duì)管道內(nèi)壁的沖擊[11]。圖11 和圖12 分別是原模型和優(yōu)化方案7 在開度80°和90°的速度場云圖。

圖11 原模型與優(yōu)化方案7 開度80°速度場云圖

圖12 原模型與優(yōu)化方案7 開度90°速度場云圖

通過圖11 和圖12 可以看出，優(yōu)化方案7 在下游的低速區(qū)偏斜角θ更小，其范圍小于原模型。此外，原模型的蝶板兩側(cè)的流體速度分布明顯不均勻、不對(duì)稱，流經(jīng)蝶板上側(cè)的流體速度明顯小于蝶板下側(cè)，這導(dǎo)致兩側(cè)的壓差增大，造成蝶閥工作時(shí)產(chǎn)生不穩(wěn)定和不平衡的狀態(tài)，尤其是90°更加明顯，而優(yōu)化后的模型兩側(cè)的速度分布具有更好的對(duì)稱性和均勻性，蝶板兩側(cè)壓差更小，蝶閥在工作過程中具有優(yōu)于原模型的穩(wěn)定性和平衡性。

4 結(jié)論

1）對(duì)幾何模型劃分網(wǎng)格，建立了CFD 模型，使用3 參數(shù)S-R-K 狀態(tài)方程模擬過熱蒸汽的密度。比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、黏度系數(shù)的變化則采用四次多項(xiàng)式擬合實(shí)現(xiàn)模擬。

2）求出流量系數(shù)并繪制成流量特性曲線。其結(jié)果表明，在蝶板開度為80°到90°時(shí)，流量特性嚴(yán)重偏離等百分比特性，蝶閥的調(diào)節(jié)能力變?nèi)酢?/p>

3）將10 個(gè)方案在開度80°到90°的流量系數(shù)擬合成曲線并比較，選出變化幅度最小的方案作為最優(yōu)方案，即蝶板底面與壓板外端面等高。通過分析和比較原模型與優(yōu)化方案7 的壓力場和速度場，進(jìn)一步驗(yàn)證了優(yōu)化方案7 的有效性。