三偏心蝶閥流場數值模擬與流量特性分析

江鑫 韓欣霖 韓昱

江蘇蘇鹽閥門機械有限公司 江蘇 濱海 224500

引言

天然氣作為一種綠色環保能源，相較于傳統煤炭能源，在經濟性以及用途的廣泛性上有著許多的優勢[1]?，F如今天然氣市場在我國已經進入了快速發展階段，又由于其儲量豐富，未來將會成為最主要的發電能源。為了方便運輸和儲存，天然氣常被壓縮成低溫液體的狀態[2]。由于液態下天然氣的溫度達到零下162℃，為了預防低溫環境中的各種隱患，對于超低溫介質的運輸就必須用到專用的低溫閥門[3]。蝶閥作為一種簡單的調節閥，也屬于閥門的一種。圓盤形的蝶板與閥桿固定，靠閥桿的轉動帶動其在管道內旋轉0°～90°，起到調節流量和截斷介質的作用。隨著技術的發展，蝶閥由最初的同心蝶閥發展成現如今的單偏心、雙偏心和三偏心蝶閥等多種類型[4]。

目前，有許多學者對三偏心蝶閥的流通性能做了較為深入的研究。常學森等[5]利用仿真軟件和測試試驗分別測得DN200三偏心調節蝶閥不同開度下的流阻系數，數據結果具有良好的一致性。劉惺等[6]把FLUENT動網格和UDF相結合，分析出三偏心蝶閥內部流場變化規律以及開閥速度對蝶板動水壓強的影響。霍增輝等人[7]分析了三偏心蝶閥的三個偏心值對流量和流阻稀疏的影響，并通過正交試驗的方法，獲得最優的偏心值組合方案。

本文以某公司生產的超低溫上裝式三偏心蝶閥為研究對象，應用計算流體力學軟件對其在閥門開啟過程中的內部流場和流動特性進行分析，得到了不同開度下蝶閥內部壓力和速度的變化規律，并通過計算獲得了三偏心蝶閥的流量系數的流阻系數，分析結果可以為三偏心蝶閥的優化設計提供理論參考。

1 數學模型

1.1 物理模型

三偏心蝶閥的工作原理如圖1所示，閥桿中心偏離閥板中心（軸向偏心c），閥桿中心偏離管道中心（徑向偏心e），蝶板錐面軸線偏離管道軸線（角度偏心β）。這種獨特的設計使得三偏心蝶閥在開啟和關閉時，蝶板與閥座密封面之間沒有摩擦，從而更加的省力。當閥門關閉時，增大的傳動力矩可以提供一個補償密封，從而增加了三偏心蝶閥的密封性能，同時也很大程度上延長了使用壽命。

圖1 三偏心蝶閥結構簡圖

為了保證數值模擬結果的準確性，需要對蝶板模型進行合理的簡化。去除一些會影響網格質量但對于仿真計算結果影響不大的細小特征，比如倒角、螺栓孔、凹槽等。為了使數值模擬更加的貼合實際，流道入口段取5倍的蝶板直徑長度，出口段取10倍的蝶板直徑長度，流動區域足夠長才能保證流場的穩定性以及計算結果的準確性。流動域模型如圖2所示，模型分為三部分：入口部分、閥體部分、出口部分。

圖2 流動域模型

1.2 網格劃分

考慮到閥門開度較小時蝶板與管道之間存在狹窄縫隙，以及蝶板附近流動區域的不規則性，本文采取分區劃分網格的方法，閥體部分采用四面體網格劃分的方法，并對蝶板周圍區域進行網格細化和加密處理；入口部分和出口部分采用六面體結構化網格劃分的方法。流道網格如圖3所示，網格節點數為1031507，網格單元數為1723199。

圖3 流道網格示意圖

1.3 數值計算方法及邊界條件

將畫好的網格文件導入到計算流體力學軟件中，先檢驗最小網格體積必須大于0。湍流模型采用標準k-e模型，近壁面采用標準壁面函數wall處理。流體介質為液化天然氣，密度為450kg/m3。進口邊界定義為速度入口（2m/s），出口邊界定義為自由流出。本文模型采用穩態計算和SIMPLE算法。

2 蝶閥流場仿真分析

2.1 閥門開度對速度場的影響

閥門開啟的過程是蝶板從0°到90°的旋轉運動，為了簡化分析，本文選取蝶閥開度為20°、40°、60°、80°4組不同開度下的仿真結果進行分析。圖4為閥門在不同開度下YOZ截面上的速度云圖。

圖4 不同開度下蝶閥YOZ截面速度云圖

當閥門開度為20°時，流道內流體流速整體較低，閥板背部以及出口段通道內還存在部分無流通區域。當閥門開度為40°時，流速明顯加快，僅閥板附近有速度為0的區域，管道內無流通區域消失，并且閥板與管壁之間的縫隙區域出現兩個上、下兩個高速射流區，上部高速射流區面積較大。當閥門開度為60°時，入口流道和出口流道流速達到穩定，兩個高速射流區域面積進一步擴大，但是局部最高流速卻明顯降低。當閥門開度為80°時，高速射流區域逐漸消失，流道內流速逐漸穩定，但閥門上部還存在局部高速區域。

2.2 閥門開度對壓力場的影響

圖5為閥門在不同開度下YOZ截面上的壓力云圖。

圖5 不同開度下蝶閥YOZ截面壓力云圖

當閥門開度從20°到40°時，由于閥門開度較小，大部分流體被閥板堵塞不能通過，造成閥門前后壓差較大，并且在閥門背部出現明顯的負壓區域。當閥門開度為60°時，大部分流體開始通過閥門，閥門前后壓差明顯減低，閥門背部還存在負壓區域，但是最低負壓值明顯升高，閥板上部左側由于受到介質沖擊出現局部高壓區域。當閥門開度為80°時，閥門已經接近全開的狀態，管道內壓力整體分布均勻，閥板背部負壓區域明顯變小，閥門上部左側依然存在局部高壓區域。

為了更加直觀的體現閥門開啟過程中進出口壓差的變化規律，圖6為閥門開度與進出口壓差的關系曲線。從圖中可以看出，隨著閥門開度的逐漸增大，壓降逐漸減低，且下降速率逐漸降低。在小于50°臨界值時，壓降下降速度較快，當大于50°時，壓降下降速率變換，數值趨于穩定。

圖6 壓降與蝶閥開度的關系曲線

3 蝶閥流量特性分析

流量系數作為工業閥門中的重要指標，是指單位時間內，閥門流道內介質通過閥門的體積流量，該指標反應的是閥門的流通性能。流量系數越大說明閥門的流通性能越強。蝶閥的流量系數經驗計算公式如下：

式中：KV為流量系數，（m2）；Q為體積流量，（m3/h）；ρ為流體介質密度，（kg/m3）；ΔP為閥門前后壓降，（Pa）；D為管道直徑，（m）；V為流體介質速度，（m/s）。

從數值仿真結果中提取不同開度下的壓差數據，代入公式計算得到蝶閥的流量參數。閥門流量特性一般指閥門相對流量參數與其相對開度之間的關系，因此將多得到的結果需要做進一步轉化，最終數據結果如表1所示。

表1 三偏心蝶閥的流量系數

根據上表得到的數據，繪制出蝶閥的流量特性曲線如圖7所示。

圖7 蝶閥流量特性曲線

通過觀察上圖流量特性曲線，可以看出本文所研究三偏心蝶閥工作流量特性為近似等百分比流量特性。當閥門相對開度小于50%時，閥門相對流量系數較小，而且增長幅度也不大，在這個區間開度內蝶閥幾乎沒有起到調節流量的作用。當閥門相對開度大于50%時，相對系數增大趨勢較為明顯，在這個區間開度內，閥門才開始發揮調節流量的作用。

4 結束語

通過對三偏心蝶閥在不同開度下的流場可視化結果進行分析，得到了閥門在開啟過程中流場壓力和速度分布的變化規律。通過進出口壓差與閥門開度的關系曲線，發現壓差隨著閥門開度的逐漸增大而減小。

結合仿真模擬和經驗公式，得到三偏心蝶閥的流量特性曲線，為近似等百分比流量調節特性。三偏心蝶閥在相對開度大50%時，發揮流量調節能力，在相對開度低于50%時，沒有調節能力。