基于FLUENT的三偏心蝶閥數值仿真及結構優化

霍增輝， 董 成， 俞經虎*， 劉建新， 韋一心

(1.江南大學 機械工程學院， 江蘇 無錫 214122； 2.無錫斯考爾自動控制設備有限公司， 江蘇 無錫 214028)

閥桿軸心同時偏離碟板中心及閥體中心，且閥座回轉軸線與閥體通道軸線呈一定角度的閥稱為三偏心蝶閥。其適用于各種不同的工況，既可以用于低壓差的調節場合，也適于開關和嚴密切斷流體的場合。目前學者就三偏心蝶閥的3個偏心值對流通性能的影響作了一些研究：何慶中等[1]利用動網格技術及用戶自定義函數對三偏心蝶閥開啟過程中出現的渦街現象進行了數值模擬，得到了開啟后不同時刻下的渦流速度和渦流長度；劉惺等[2]分析出了三偏心蝶閥的內部流場變化規律以及不同關閥速度對蝶板的動水壓強的變化規律。為了提高蝶閥的流通性能，課題組應用ANSYS軟件對蝶閥內部進行了流場模擬，通過改變3個偏心值對流量系數和流阻系數進行對比分析，采用正交試驗找到了最優解，為三偏心蝶閥的設計提供思路。

1 閥門內部流場模擬

1.1 三偏心蝶閥模型建立及網格劃分

課題組運用三維建模軟件Ug建立三偏心蝶閥的模型。三偏心蝶閥具有密封面偏離軸中心線(軸向偏心a)、軸中心線偏離閥體和閥板的幾何中心(徑向偏心b)、密封面的錐面軸線偏離于閥板幾何中心(角偏心φ)的特點，如圖1所示。

圖1 三偏心蝶閥結構簡圖及三維模型Figure 1 Structure diagram and 3D model of tri-eccentric butterfly valve

為了保證計算結果的準確性，以8倍的蝶閥直徑作為入口段的長度，10倍的蝶閥直徑作為出口段的長度[3]，將模型保存為step通用格式導入ANSYS。為了簡化模型，對蝶閥流場進行定常流動以及不可壓縮流動分析[4]。為了使計算結果更接近實際情況，流道模型分為3個部分：入口部分、閥體部分、出口部分。蝶閥計算模型如圖2(a)所示。運用ANSYS軟件對模型進行網格劃分，為了獲得更多的高質量網格，對流體模型進行了簡化，采用四面體網格對三偏心蝶閥流道進行網格劃分，正交性質量0.1以上；平均網格質量越高越好，相鄰網格之間網格大小不能太大，保證網格平滑過度[5]。對閥板周圍、閥座周圍的網格進行細化處理，通過網格修復手段刪除質量低于0.3以下的網格，提高網格質量。總計劃分了1 103 307個單元，模型的節點為228 746個左右，如圖2(b)所示。設置單元格區域為水，邊界條件為速度入口3.72 m/s，溫度為15.5 ℃，壓力出口0 Pa(1個大氣壓)。計算分析時，保證管道內流動處于紊流狀態，管內流動為湍流(Re大于2 300)，設置計算模型為標準κ-ε湍流模型[6-7]。

圖2 三偏心蝶閥計算模型及網格劃分Figure 2 Calculation model and mesh generation of tri-eccentric butterfly valve

1.2 數值模擬分析結果

課題組截取了通過流道中心并且垂直于旋轉軸的平面，比較平面內閥門不同開度下的壓力分布云圖，結果如圖3所示。

圖3 不同開度下閥門的壓力分布云圖Figure 3 Pressure distribution nephogram of valve under different opening degrees

從圖3中可以看出，蝶閥開度超過40°時，由于蝶閥結構的徑向偏心，上半部分開口程度大于下半部分，其流通面積較大，壓力主要分布在蝶板背面的下半部分，蝶板上半部分壓力小于下半部分；在40°～80°時這種壓力差較為明顯，蝶板存在開啟方向上的動水力矩也是因此而產生的。閥門在開度小于40°時蝶閥前后的壓力差變化較大，開度大于40°時前后壓力差變化較小。

圖4 不同開度下閥門的速度流線圖Figure 4 Velocity streamline diagram of valve under different opening degrees

蝶閥的速度流線圖如圖4所示。從圖4中可以看出流體在閥板附近流場較為復雜，在蝶閥開啟的過程中，因較大的壓差導致流體的速度驟然變大，產生強烈的渦流。該渦流狀態即為渦街現象，從蝶閥開啟時到40°時比較明顯，而且渦街現象較為強烈；隨著開啟角度的不斷增大渦街現象逐漸減弱直至消失。隨著開度的增大，閥板附近流體的速度趨向平緩。

1.3 流動特性參數

流量系數Cv和流阻系數x是閥門的代表性參數。流量系數Cv的計算公式為

(1)

式中：q為水流量，m3/h；ρ為水的密度，kg/m3；Δp為流經閥門的壓力損失，Pa。

當介質流經閥體時，如果蝶閥的流阻系數較小，將有利于水流的通過，其流體阻力損失以閥門前后的流體壓力降表示[8]。流阻系數x為

(2)

式中：x為閥門的流阻系數；Δp為流經閥門的壓力損失，Pa；ρ為介質密度，kg/m3；v為流速，m/s。

1.4 閥門流量特性

由CFD分析得到的結果，經計算后可得到三偏心硬密封蝶閥在不同開度下的流量系數和流阻系數。利用Origin軟件繪制出流量特性曲線，如圖5所示。

圖5 不同開度下閥門的流量系數和流阻系數Figure 5 Flow coefficient and flow resistance coefficient of valve with different opening

由圖5可以看出，開度在80°以內時，流量系數隨著開度的增大而增大，在10°～40°時增大的幅度比較小，而在40°～80°時增大的幅度比較大，在80°到全開時Cv值基本不變。隨著蝶閥開度的增大，蝶閥的流阻系數逐漸變小，在開度超過70°后流阻系數基本保持不變；蝶閥在40°開度下的流阻系數為13.428，而全開時的流阻系數為1.691，前者約是后者的8倍。

2 三偏心蝶閥各偏心值對流通能力的影響

三偏心硬密封蝶閥蝶板在開啟和關閉過程中是否與閥體產生干涉受軸向偏心和徑向偏心值的影響；角度偏心確保了蝶閥密封副為面接觸，并經過密封副的擠壓變形來隔絕流體介質的泄漏[9]，因此蝶閥3個偏心值的確定對蝶閥的流通能力會產生一定的影響。改變各偏心值以蝶閥開度40°時對比分析蝶閥3個偏心值對于流量系數和流阻系數的影響，結果如圖6所示。

圖6 3個偏心值與流量系數和流阻系數之間的關系Figure 6 Relationship between three eccentricity values and flow coefficient and flow resistance coefficient

由圖6(a)中可以看出，當軸向偏心距發生變化時，流量系數和流阻系數變化較小，流量系數的最大變化范圍為823.36～823.86；流阻系數的最大變化范圍為13.358～13.778，可見軸向偏心值對流量系數和流阻系數的影響較小。從圖6(b)中可以看出，隨著徑向偏心距的增大流量系數先減小后增大再減小，徑向偏心距在10～16 mm時對流量系數影響較大；流阻系數在10～14 mm、16～20 mm時大致呈線性增加，14～16 mm時略微降低。從圖6(c)中可以看出，隨著偏心角的增大流量系數先增大后減小，偏心角5°時最大，其值為822.773；流阻系數總體呈上升趨勢，可見偏心角不宜過大。綜上可知，軸向偏心對于蝶閥的流通性能影響較小，徑向偏心和角偏心對蝶閥的流通性能影響較大。

3 三偏心蝶閥3個偏心值優化的正交試驗設計

正交試驗設計是研究多因素多水平的又一種設計方法，它是根據正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，這些有代表性的點具備了“均勻分散，齊整可比”的特點，正交試驗設計是分式析因設計的主要方法，也是一種高效率、快速和經濟的實驗設計方法[10]。

3.1 確定正交試驗的因素與水平

三偏心蝶閥的3個偏心值作為正交試驗的3個因素，以三偏心蝶閥的流量系數和流阻系數作為正交試驗的性能指標。以蝶閥的軸向偏心值a=48 mm，徑向偏心值b=14 mm，偏心角φ=5.5°作為設計值，選取4個水平，其正交試驗因素的水平表如表1所示。

表1 正交試驗因素水平表

3.2 正交試驗方案組合及分析

依據上述的正交試驗因素水平表，列出了蝶閥的正交試驗方案組合；利用上述部分三偏心蝶閥的數值模擬方法，計算得到每個方案組合的流量系數和流阻系數。試驗方案組合和指標如表2所示。

表2 正交試驗方案組合及計算結果

表3 流量系數極差分析表

表4 流阻系數極差分析表

將優化前后的設計參數進行對比，如表5所示。從表5可以得出優化后流量系數比原來增加了2.7%，流阻系數比原來降低了11.6%。

表5 優化前后的參數對比

4 結論

1) 課題組應用ANSYS軟件對三偏心硬密封蝶閥進行了流場模擬，獲得了不同開度下蝶閥內部的速度、壓力流場分布；通過計算獲得了蝶閥的流量系數和流阻系數，最后得出了蝶閥的流量特性曲線。

2) 課題組就三偏心硬密封蝶閥3個偏心值對蝶閥流通性能的影響進行了研究，結果表明軸向偏心對流通性能影響較小，徑向偏心和角偏心對流通性能影響較大。通過正交試驗法優化了蝶閥的3個偏心值，增大了蝶閥的流量系數，降低了蝶閥的流阻系數，提高了蝶閥的流通性能。