過熱蒸汽三偏心蝶閥流量特性研究與優化

蘇 文，楊 偉，王和順

（西華大學機械工程學院,四川 成都 610039）

蝶閥是工業領域常用的一種調節閥，主要用于控制和調節流過管道的流量。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，從而達到控制調節的目的。在實際開發過程中，對蝶閥的研究通常是先經過理論計算，再進行數值模擬，結合流體分析軟件，如FLUENT、CFX 等，將計算得到的數據作為參考，并進行驗證。在對三偏心蝶閥的研究中，文獻[1]研究不同偏心數的蝶閥，發現單偏心、雙偏心和三偏心蝶閥的流量系數和阻力系數完全不同。三偏心蝶閥的3 個偏心值影響流量系數和流阻系數。文獻[2]從三偏心蝶閥的結構入手，以氮氣為介質，研究軸向偏心、徑向偏心和角度偏心與流量特性的關系，發現徑向偏心值對流量特性的影響是3 個偏心值中最大的。文獻[3]研究不同開度下的連桿蝶閥，發現閥桿旋轉到60°以上時，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400 K。文獻[4]對三偏心蝶閥流阻系數進行數值分析后得出，三偏心蝶閥在閥板處存在的漩渦比中線蝶閥多，可對閥板形狀進行優化。文獻[5]測試DN200 三偏心蝶閥流阻系數，通過數值分析得出三偏心硬密封蝶閥在開度為0°到40°具有有效的流量調節能力，但此區間流動穩定性差。文獻[6]分析管道的沿程壓力損失，計算蝶閥在多種開度下的流阻系數，提出一種有效減小流阻系數的蝶板過流面。雖然關于三偏心蝶閥的研究有很多，但是關于通過優化結構來優化流量特性的研究卻少有報道。

本文以過熱蒸汽為介質，給出CFD 模型，引入適合描述真實氣體的S-R-K 狀態方程，并求解得到流量特性曲線，分析特性曲線，改變蝶板結構設計了10 種改進方案，分析對比方案在開度80°到90°的流量特性曲線，得到優化方案，最后結合壓力云圖和速度云圖對優化方案進一步驗證。

1 CFD 模型與網格劃分

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，其結構示意圖如圖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旋轉的角度。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 三偏心蝶閥結構示意圖

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據。從5°開始，以每5°為一個間隔，計算到90°，共 18 個開度。通過布爾運算，得到該三偏心蝶閥的計算域。為減少回流現象的產生，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算長度。開度60°時的流體計算域整體模型如圖3 所示。

圖3 開度60°的流體計算域模型

在閥體流場域中，幾何形狀較為復雜，因此：選擇的網格類型為四面體非結構網格，對于上下游使用六面體結構網格；為減少不必要的計算時間，考慮對稱性，選擇建立1/2 的模型。開度60°時蝶閥處的網格模型如圖4 所示。

圖4 開度60°的網格模型

2 流體分析

2.1 FLUENT 參數設置

該過熱蒸汽的環境是0.1 MPa 和573.15 K，計算的聲速在此環境下為585.67 m/s。在整個計算域中，流體速度較高，大部分區域的馬赫數超過0.3，甚至超過1，必須考慮其可壓縮性，因此，密度、比熱、導熱系數、黏度系數視為變量。

過熱蒸汽不完全符合固有氣體定律，應作為真實氣體進行處理。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]對過熱蒸汽的密度進行描述。

比熱容、熱導系數、黏度均采用與溫度相關的四次多項式進行擬合。雖然表達式一樣，但擬合系數相異，表達式為

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

表1 比熱容擬合多項式系數

在利用FLUENT 軟件進行數值計算之前需要對其中的必要參數進行設置。過熱蒸汽流過蝶閥過流面時，速度往往發生劇烈變化，產生強烈湍流。對于湍流的數值模擬，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的湍流狀態。本文使用標準壁面函數來描述邊界層，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 進行數值計算。為獲取穩定時的流速、流量等數據，本文選擇穩定分析。流體域內溫度發生變化，因此考慮能量守恒方程。對于邊界條件，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。設置離散格式、松弛因子后進行初始化并計算求解。

2.2 流量系數計算

過熱蒸汽為可壓縮氣體，根據文獻[10]，基于膨脹系數法的可壓縮氣體的流量系數計算公式為

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

表2 流量系數計算相關物理參數及取值

2.3 數值模擬結果

假設在整個工況中，經過閥門的壓力降恒定，根據流量系數計算公式計算出的結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

當蝶閥開度在5°到30°時，基本符合等百分比流量特性，在這個階段蝶閥具有良好的調節控制能力和精度。當蝶閥開度逐漸增大達到35°到65°時,等百分比流量特性消失，逐漸接近于線性流量特性，蝶閥的調節控制能力和精度下降。當蝶閥開度達到70°以后，流量特性變差，曲線斜率不斷下降，尤其是當開度達到80°之后，流量系數值反而降低，表明蝶閥的調節控制能力和精度大為降低，因此該固有流量特性需要優化。

3 結構與流量特性優化

結構因素對流量特性的影響主要在于不同的結構導致流體具有不同的流動狀態，從而影響輸出流量。本文通過改變結構形態以達到優化流量特性的目的，并結合壓力場與速度場進一步驗證其可靠性。

3.1 結構優化

除規定的蝶板直徑與軸孔直徑外，蝶板的外形結構由以下因素控制：錐面凸臺、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，對蝶板外形按照單一因素變量法進行修改，將所得的流量數據與原數據進行比較，并從其中選出最優的修改方案。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算得到的流量系數。圖7 為各方案在該范圍的流量系數—相對開度曲線。

表3 各種方案下在開度80°～90°的流量系數

圖6 原方案與方案1—10 對比圖

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劣，需將各曲線的變化幅度與原模型進行比較。因此，計算出各方案相鄰開度之間流量系數差值，將其作為因變量，并分別在同一假定自變量范圍內繪制直線斜率圖，如圖8所示。

圖8 開度80°、85°和90°相鄰兩開度間流量系數差值的直線斜率圖

該三偏心蝶閥流量特性曲線的優化主要集中在開度80°到90°，在此區間，蝶閥的調節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，比較各方案在此區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節能力和精度。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變化量曲線比原模型更平緩，更利于優化流量特性。此5 個方案中，方案7 的斜率遠大于其他方案，因此選擇方案7 作為優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 原模型與優化方案7 的壓力場對比分析

原模型與優化方案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°，通過蝶板兩側的高壓區變化相對平穩，中、低壓區變化較為明顯。

圖9 原模型與優化方案7 在開度80°壓力場云圖

圖10 原模型與優化方案7 開度90°壓力場云圖

通過對比，可以看出優化后的蝶板兩側的中低壓區分布明顯具有更好的對稱性與均勻性，蝶板在使用過程中兩側形成更小的壓差，壓力梯度得到有效減小，從而減小蝶閥震顫，增強平穩性。

3.3 原模型與優化方案7 的速度場對比分析

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

圖11 原模型與優化方案7 開度80°速度場云圖

圖12 原模型與優化方案7 開度90°速度場云圖

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

4 結論

1）對幾何模型劃分網格，建立了CFD 模型，使用3 參數S-R-K 狀態方程模擬過熱蒸汽的密度。比熱容、導熱系數、黏度系數的變化則采用四次多項式擬合實現模擬。

2）求出流量系數并繪制成流量特性曲線。其結果表明，在蝶板開度為80°到90°時，流量特性嚴重偏離等百分比特性，蝶閥的調節能力變弱。

3）將10 個方案在開度80°到90°的流量系數擬合成曲線并比較，選出變化幅度最小的方案作為最優方案，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化方案7 的壓力場和速度場，進一步驗證了優化方案7 的有效性。