大口徑蝶閥內流特性的數值分析

中圖分類號 TH138.52 文獻標志碼 A 文章編號 0254-6094（2025）04-0605-07

在我國的中西部地區，中大型水電站的主控閥一般使用大口徑蝶閥或大型球閥。蝶閥又叫翻板閥，是一種結構簡單的調節閥，主要由閥體、蝶板、閥桿和密封組件構成。蝶閥不僅結構簡單、重量輕、材料耗用省、安裝尺寸小、驅動力矩小、操作簡便、迅速[1]，而且相對球閥而言，蝶閥在加工、密封等方面有更多優勢，因此大口徑蝶閥使用普遍2，用于控制空氣、水、蒸汽、各種腐蝕性介質、泥漿、油品、液態金屬及放射性介質等各種類型流體的流動，廣泛應用于石油、化工、電力等行業[3]。

閥內介質的流動狀態對其流通特性、動作性能具有重要影響[4]。國內外許多研究學者針對閥內流動特性采用理論分析、實驗及數值模擬等不同方法展開研究，研究了不同閥門結構對閥內流場和流通能力的影響。

霍增輝對蝶閥的內部流場進行了數值模擬5，通過運用計算流體動力學方法，結合流體運動基本控制方程組，對蝶閥的內部流動情況進行了模擬分析，得出了蝶閥在9種不同開度下的壓力云圖和速度云圖，對每一種開度下的流動情況進行了討論和總結，概述了蝶閥的流動規律。通過提取壓力和速度云圖中的數據，運用經驗公式計算得到了蝶閥的流量系數和流阻系數。

HUANGCD和KIMRH基于三維仿真技術對蝶閥內的不可壓縮流體進行了研究，得到了速度場云圖和應力場云圖[7]。OGAWAK和KIMURAT分別對蝶閥的力矩特性與流阻特性進行了分析研究8]。張勤昭等通過試驗獲得了DN680口徑三偏心蝶閥在不同開度和不同來流速度下的流阻系數，數值分析表明，全開狀態下，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化，以減小流阻系數[9。楊巖等設計了一種新型偏心蝶閥結構，并且通過仿真分析了新結構蝶閥的壓力云圖、速度云圖與流線分布圖，得到了其流量特性與流阻特性，分析結果表明，新結構增大了小開度下的流阻系數，減小了關閉瞬間的流量變化量，減輕了“水錘”現象[10]。GAOZX等利用商用求解器Fluent探討了閥門結構參數對閥門阻力系數的影響規律。研究發現，隨著閥門開度的增加，流量系數也增加，但阻力系數相應會降低[]。ZHOUXM等基于CFD方法提出了一種標準計算方法，并借此分別計算了3種蝶閥、1種偏心旋轉閥和1種套筒閥的流量系數，經驗證，該數值仿真方法的最大誤差為 2.99%^[12] 0WUSX等在蝶板式管線控制閥的基礎上提出了一種阻力系數更小的氣環式管線控制閥，通過對比二者的流場特性進一步發現前者閥內壁面切應力與最大流速均小于后者[13]。楊佳明等利用數值模擬獲得了穩壓器噴霧閥的流量特性曲線和流場分布并且將數值模擬結果與實際工況進行對比，驗證了數值模擬的準確性[14]。錢錦遠等對多孔板展開數值模擬，分析多孔板的流動特性，并且基于幾何結構對多孔板的壓降、內流流動特性展開分析[15]。余建平等針對蝶閥流體流動的擾流問題，對國內外蝶閥的動水力矩進行分析匯總，并對比其適用范圍和準確性，為我國蝶閥的設計提供理論支持[16]。

因此分析蝶閥內介質的流動狀態對其流通特性具有重要影響。筆者采用數值模擬的方法，通過Fluent仿真軟件，研究了大口徑蝶閥不同開度下的流動特性和流阻特性，對蝶閥設計和優化具有一定的參考意義。

1計算模型

1.1 模型建立

大口徑蝶閥的固體模型和內部示意圖如圖1、2所示，主要由閥體、閥桿、閥板、密封組件等部件構成，蝶閥內徑為 4800mm 。隨著閥桿的旋轉，閥板開度逐漸從 0^° 增大至 90^° 。

圖1大口徑蝶閥結構

圖2蝶閥內部示意圖

為了降低網格劃分難度、提升網格質量，對蝶閥進行結構簡化，在刪除對流體流動特性無影響的特征之后對閥門進行流道抽取。由于模型具有對稱性，為了減小計算量，取出流道模型的一半進行求解。對蝶閥的進、出口管道長度分別延長至內徑的5倍和10倍。

1.2 網格劃分

利用Workbench中的前處理軟件Mesh對計算域進行網格劃分。為減小計算量，提高計算精度，對流道模型進行離散時采用混合網格。經過多次調試，當網格數量達到六十萬時，出口質量流量不再受網格數量影響（表1）。據此確定進出口加長管網格尺寸為 100mm ，閥板間流道網格尺寸為20mm ，其余區域網格尺寸為 60mm 。如圖3所示，劃分網格的單元數量為6248368。

表1網格無關性驗證

圖3大口徑蝶閥的流道網格模型

DN4800液控蝶閥主要是通過控制閥板的啟閉達到控制水的壓力、流量等參數的目的。本研究對不同開度下，水在DN4800液控蝶閥中的流動情況展開數值模擬研究，計算各個開度下的流阻系數，設定蝶閥相應的工況，公稱壓力PN10，開度 10～90^° ，邊界條件為入口速度 3m/s 出口壓 0MPa 。

分析大口徑蝶閥工況可以發現，DN4800液控調節閥進出口速度較高，閥口直徑大，呈湍流狀態，此外在閥板節流作用下，水的湍流強度進一步增強，因此在數值模擬時應采用湍流模型。根據介質為常溫液態水，查得介質水的參數為：

黏度 1.003mPa?s 密度 998kg/m³ （204號 溫度 25^°C （204

在流場中，雷諾數高于某一值時，流體將從有序的層流變為無序的湍流[17]。求解器為壓力求解器，湍流模型為標準 k-ε 模型[18]，算法設置為SIMPLE算法[19]。流道的其他面設置為壁面無滑移。操作壓力為 0MPa ，將流道進口設置為速度進口邊界條件，流道出口設置為壓力出口邊界條件，根據計算結果，湍流強度為 2.03984% 。

1.3計算公式

流阻系數準確表現蝶閥的流通能力，通過查閱閥門設計手冊，可以得到對于湍流流態的液體流阻系數計算公式為：

式中 （204號 Δp 蝶閥前后壓差；v 流經蝶閥的水流速度；ρ 流體密度， kg/m³ ：ζ 2 蝶閥流阻系數。

2 流動結果分析

對閥門進口處初始流速設置為 3m/s ，出口處壓力為大氣壓，對DN4800蝶閥在不同開度下內部流體進行數值模擬，對內流特性展開分析。由于蝶閥閥板的存在，水在流動過程中受到擾動作用，導致流體流動的不穩定。因此對蝶閥在不同開度下的流速和壓力的分析，對于分析蝶閥的流通能力具有重要意義。

2.1 閥內速度分布

蝶閥流速的穩定性決定了流動的平穩性，流速的變化情況是蝶閥設計中的重要特征，圖4為蝶閥分別在 10～90^° 開度下的對稱面速度分布云圖。當開度為 10^° 時，由于此時開度很小，大部分水流被阻擋，由于存在流通面積驟縮現象，出現明顯節流作用，最大速度達到 98.6m/s ，出現非常明顯的流體回流現象，產生漩渦；當蝶閥的開度等于 30^° 時，漩渦面積有所增大，且有逐漸遠離閥板的趨勢，從閥板中心轉移至靠近管道的位置。隨著開度的增加，蝶板上游區域的流速逐漸減小，流體的不均勻性進一步減弱，在蝶板下游區域的漩渦逐漸減少，流動狀態逐漸趨于緩和；當閥板開度增加到 70^° 時，渦流現象逐漸消失，但是依然存在流體擾動；當閥板的開度為 90^° ，即在全開的狀態下，整個流場的速度分布均勻，沒有游渦現象，整個流場的流態平穩。

圖4 不同開度下對稱面速度分布云圖

通過對比圖4可以清楚地發現在閥板下游處，閥板的上下邊緣分別存在兩個高速射流區，且高速射流區面積隨著開度的增加有先增加后減小的趨勢。當開度很小時，最大流速很大，但由于流通面積小，因此高速射流區的面積小；當開度逐漸增大時，閥板對流體的阻隔作用減小，流通面積增加，高速射流區增大；當開度持續增加時，由于流通面積增加導致水流經閥板時的節流作用減小，最大流速減小，高速射流區面積減小。

圖5為蝶閥在不同開度下的最大流速變化的情況，流場的最大流速隨著閥板的開度增大而不斷減小。在開度小于 40^° 范圍內，流場最大流速隨著開度的增加而急劇減小；當開度處于 50～80^° 時，流場最大流速隨著開度的增加而減小，且逐漸趨于平穩；當開度等于 90^° 時，流場最大流速等于 4.5m/s ，趨近于進出口流速，此時蝶板的節流作用明顯減弱。

圖5對稱面上最大流速隨開度變化

2.2 閥內壓力分布

蝶閥在各個開度下的流場壓強變化，是蝶閥流通能力、結構強度分析和動水力矩的研究基礎。因此在蝶閥流場特性的分析中，閥內流體壓強的變化情況需要關注。對蝶閥各個開度下的壓力分布展開分析（圖6）。

圖6不同開度下對稱面壓力分布云圖

結合圖6分析可得，流場的最大壓強和壓差隨著蝶閥的開度增大而減小。當開度等于 10^° 時，蝶板前后壓力變化劇烈，在閥板與閥體管道間隙間形成了大面積低壓區域，且低壓最小值出現在靠近閥板中心的位置，產生漩渦，隨著閥板開度的增加，流場的壓強不均勻性有所減緩；當蝶閥開度增加到 60^° 時，整個流場壓強分布依舊不均勻，在閥板附近存在局部低壓區域；當開度等于 80^° 時，由于存在流體的擾流作用，閥板前后存在小壓差，整個流場壓強分布逐漸趨于均勻狀態；當開度為 90^° 時，閥板處于全開的狀態下，在靠近閥板的位置，由于流體碰撞閥板，速度突然減小、呈現局部小范圍波動高壓區域。閥前閥后的壓差幾乎為零，閥前閥后的壓力幾乎保持一致，整體的壓力狀態趨于穩定。但是由于蝶閥本身閥板的存在，仍然存在部分壓降。

在開度位于 0～60^° 區間，可以觀察到閥板邊緣存在明顯的低壓區域。水在 25^°C 時的飽和蒸汽壓是 3.169kPa （絕壓），此時低壓區域的壓力值已經小于飽和蒸汽壓的值，在此區域可能發生空化汽蝕現象，腐蝕閥板，降低蝶閥的使用壽命。在蝶閥的實際應用中，應該盡量避免蝶閥在不利開度和工況下工作，并且對蝶閥展開定期的檢修與維護。

3 流阻系數分析

蝶閥的流阻系數是蝶閥的固有特性，是表征蝶閥性能的重要參數[20]。蝶閥的流阻系數復雜，為了評估蝶閥的流通能力，計算閥前閥后的壓差，通過數值模擬對蝶閥流阻系數展開分析。

從各個開度下蝶閥內部流場數值模擬的計算結果，計算在不同開度下的流體流經蝶板時產生的壓差，并且通過公式計算得出不同蝶板厚度蝶閥在不同開度下的流阻系數。

對于蝶閥兩端的壓差 Δp ，取流道模型進出口壓差，減去管道沿程阻力損失作為蝶閥的壓差Δp ，根據壓差通過流阻系數計算公式，獲得不同桁架厚度下各個開度的蝶閥流阻系數。

3.1開度對蝶閥流阻系數的影響

根據不同開度下的壓差和流阻系數，繪制蝶閥流阻系數隨閥門開度的變化曲線（圖7）。隨著閥門開度的增加，流阻系數逐漸上升。當閥門開度小于 30^° 時，流阻系數隨著閥門開度急劇減小；當開度在 30～50^° 之間時，蝶閥流阻系數下降趨勢有所減緩；當開度大于 60^° 時，水流經蝶閥的流阻系數趨于平緩，此時蝶板桁架的初始厚度是 60mm 。

圖7流阻系數隨開度變化曲線

3.2 桁架厚度對流阻系數的影響

對不同蝶板桁架厚度下的蝶閥展開流阻分析。表2是蝶板桁架分別在 40，60mm 時蝶閥的流阻系數隨開度的變化。當閥門開度較小時，桁架厚度是影響蝶閥流阻系數的重要因素，桁架厚度60mm 的蝶閥流阻系數明顯大于桁架厚度 40mm 的蝶閥流阻系數，且流阻系數隨著閥門開度的增加而急劇減小。當閥門開度大于 40^° 時，蝶閥流通面積增大，蝶閥流阻系數也逐漸趨于平穩，桁架厚度成為影響蝶閥流通性能的次要因素，兩個桁架厚度的蝶閥的流阻系數趨于一致。

表2流阻系數隨桁架厚度的變化

4結束語

隨著蝶閥開度的增加，最大流速逐漸減小，流動平穩性提高。當蝶閥的開度小于 40^° 時，靠近蝶板的下游位置產生明顯漩渦，可進一步對蝶板展開結構優化以提高流通能力。當蝶閥開度增大時，流阻系數減小，當開度小于 50^° 時，流阻系數隨開度增大急劇減小；當開度大于 50^° 時，流阻系數的值逐漸趨于穩定。蝶閥在小開度和大開度情況下的流阻系數大小差別顯著。通過模擬可以發現，隨著蝶板厚度的降低，蝶閥流通面積增大，蝶閥的壓阻損失減小，流通能力增大。蝶閥開度在 40～60^° 時，靠近閥板下游的位置渦流明顯，沖刷蝶板，對蝶板造成損傷，可以進一步通過結構優化設計從而降低蝶閥流阻，提高蝶閥的流通性能。

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（收稿日期：2024-06-15，修回日期：2025-07-16）

Numerical Analysis of the Internal Flow Characteristicsof Large Diameter Butterfly Valves

NIE Jia-xi1， ZENG Geng-yun2， ZHU Wen-bin3，WANG Zhao-tong1， JIN Zhi-jiang1，QIAN Jin-yuan1 （1.InstituteofProcessEquipment，CollgeofEnergy EngineeringofZhejiang University；2.GuangdongHydropower Planningamp;DesigningInstituteCo.，Ltd.;3.CNNCSUFA Technology Industry Co.，Ltd.）AbstractMakinguse of numerical simulationanalyze thesteady flow fieldof large-diameter butterfly valves at different opening degrees was implemented to obtain flow field characteristics at 1O-9O° opening degrees and plot the curves of both the pressure losscoefficient and flow resistance characteristics there. The results show that，when the opening degree is less than 60^°"，the flow performance of the butterfly valve would begreatly reduced.This study can provide theoretical support forthe selection of the butterfly valves. Key Wordslarge-diameter butterflyvalve，opening degree，numerical simulation，flow characteristic，flow resistance coefficient