超音速风洞大口径蝶阀流场分析及改进

        1 概述
        蝶阀因成本低、体积小、质量轻和寿命长等优势在工业领域应用广泛。在高速风洞阀门系统改造以及新建风洞阀门系统配置中，也逐渐采用以电动蝶阀、液动蝶阀和套筒式调压阀依照气流的流向依次布置的模式（图1）。近年来随着风洞试验任务的增加，几座主力风洞大口径蝶阀先后出现执行机构失效、阀杆断裂、蝶板蒙皮破裂以及阀杆轴向窜动等类型的故障，严重影响了风洞试验的顺利进行。而蝶阀的上述故障在水电、核电等应用领域并不常见。风洞蝶阀的使用不同于其他领域的特点是启闭频繁（每试验一次启闭一次），启闭速度快（3s左右），冲击大，振动剧烈，而影响蝶阀振动的主要因素是蝶板，因此迫切需要研究高速风洞蝶阀不同结构蝶板及不同开度下的流场。通过改善蝶阀的流场来提高蝶阀的可靠性，这对于确保风洞试验的顺利进行有着十分重要的意义。

图1 高速风洞阀门配置

        2 蝶板结构及其流场
        2.1 蝶板结构
        根据压力及口径的不同，蝶板的结构形式也有所不同。风洞蝶阀的蝶板结构形式主要有框架式、蒙皮式和蒙皮开孔式。
        （1）框架式蝶板
        小口径蝶阀的蝶板通常铸造成两面均为流线型的结构形式。大口径蝶阀（DN≥1000）蝶板整体铸造会导致铸件自重和成本增加，同时驱动装置的驱动扭矩也需加大。大口径蝶阀的蝶板最常见的样式是蝶板承压一侧为光滑龟背结构，另一侧为框架结构，以便在保证刚度和强度的同时减轻自重（图2）。
（a）蝶板背面（龟背侧）（b）蝶板正面（框架侧）

图2 框架式蝶板

        （2）蒙皮式蝶板
        为了减小流阻系数，提高流通性能，有时将框架所形成的空腔以蒙皮覆盖。以某风洞DN2500蝶阀蝶板为例，该蝶阀蝶板蒙皮厚度为10mm的整块圆钢板，圆周方向拼焊在蝶板上，蒙皮中间与相应框架筋板间以塞焊方式固定（图3）。实践证明蒙皮式蝶板容易出现裂纹，塞焊处易脱落，个别蝶板塞焊处蒙皮有圆形放射状裂纹，同时向外隆起（图4）。随着风洞试验次数的增加，裂纹不断扩展，多次补焊依然无法杜绝该问题，说明仅仅通过补焊不能解决问题。

图3 蒙皮式蝶板

图4 塞焊点蒙皮破裂

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        （3）蒙皮开孔式蝶板
        经分析，裂纹是由于阀门振动造成的，而隆起是因为蒙皮内腔压力大于外部压力所致。为了减小蒙皮两端压差，在蒙皮适当位置开平衡孔形成蒙皮开孔式蝶板。以某风洞DN2500蝶阀蝶板为例，该蝶板共开φ16mm的平衡孔341个，开孔面积率约为2.2%（图5）。开孔后实际使用效果良好。

图5 蒙皮开孔

        2.2 流场分析    
        近年来，CFD方法取得了很大的发展，计算准确、界面友好，使用简单。目前，与三维CAD无缝集成的CFD软件SolidWorksCOSMOSFloWorks可直接应用SolidWorks所生成的与实物一致的模型来分析。采用该软件分析某超音速风洞不同蝶板结构情况下的流场。
        模拟参数按实际风洞试验条件给定，模拟试验介质为空气，进口流速为32m/s，进出口外接管道长度各为阀门通径的5倍，进口压力为2.0MPa，出口压力为大气压。气流方向为实际运行方向，即从蝶板龟背侧管道向蝶板框架侧管道方向流动。
        图6所示为框架式蝶板流场。蝶阀全开时，龟背下游存在低压区，蝶板框架侧由于空腔的影响，流速分布不均匀，压力梯度较大。

（a）速度云图        （b）压力云图
图6 框架式蝶板流场32m/s

（a）速度云图         （b）压力云图
图7 蒙皮式蝶板流场32m/s

        图7所示为蒙皮式蝶板流场。根据图示的流场云图来看，与框架式蝶板相比，增加蒙皮后蝶板框架侧由于蒙皮的作用，流场有所改善，压力分布较均匀，局部压力梯度减小，有利于减小振动。
        图8所示为蒙皮开孔式蝶板流场。根据图示的流场云图分析，与蒙皮式蝶板相比，蒙皮开孔后蝶板框架－蒙皮侧的速度和压力分布更加均匀。由于蒙皮侧的气流场变得较为平稳也减轻了对龟背侧气流场的干扰，从图8中可看出龟背侧涡流区比图7中的情况有明显的减小，有利于进一步缓解蝶板的振动。

（a）速度云图          （b）压力云图
图8 蒙皮开孔式蝶板流场32m/s

        3 蝶阀不同开度及其流场
        选取阀门开度为45%和10%的两种典型工况研究阀门开启过程的流场情况。按照风洞实际试验时的参数作为边界条件，蝶板形式以蒙皮开孔式结构为研究对象。
        如图9云图所示，蝶阀开度为45%时，由于蝶板阻隔，流速分布呈现明显不均匀性，在两侧流道的中心区域，流速明显增加，并形成涡流。速度较大的区域集中在蝶板直径处（与阀杆垂直方向）的两侧狭窄流道区域，对管道冲击较大。由于在蝶板蒙皮侧存在局部低压区，且经蝶板两侧流过的两股气体存在着较大的速度差，在蝶板蒙皮侧形成了较大的漩涡。

（a）速度云图        （b）压力云图
图9 蝶板开度45%时的流场32m/s

        如图10云图所示，蝶板开度为10%时，其前部流速接近为0，气流几乎被堵住，与阀杆垂直方向的蝶板直径处两侧狭窄流道流速较快，且数值明显高于开度45%的情况。

（a）速度云图         （b）压力云图
图10 蝶板开度10%时的流场32m/s

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        比较图8、图9和图10，可以看出，蝶阀在开启过程中，流场波动较大，特别是在45%开度时涡流区域较大，这是导致阀体及管道强烈振动的主要原因。
        因此，在蝶阀开启过程中必须减小阀门前后的压差，有效降低阀门开启过程中气流对阀体及管道的冲击，从而减少振动，降低驱动装置的负载，提高阀门的可靠性，延长阀门寿命。根据超音速风洞阀门系统的布局和运行规律，采用增加小口径旁路阀的方式实现上述目标。如图11所示，电动蝶阀和液动蝶阀均增加一小口径旁路阀，用以平衡蝶阀前后的压差。在整个试验过程中，阀门系统的工作流程为先打开各自的旁路阀来降低蝶阀前后压差，待压力基本平衡后，关闭旁路阀，然后再打开蝶阀，进行试验，试验结束后，依次关闭调压阀、液动蝶阀和电动蝶阀。从实际使用情况来看，该措施极大地改善了蝶阀的使用工况，蝶阀开启过程平稳，故障率降低。

图11 蝶阀两端增加旁路

        4 结语
        超音速风洞大口径蝶阀的蝶板可通过焊接蒙皮以及在蒙皮上开孔的方式来改善蝶板周围流场。通过在蝶阀两端增设旁路阀的方式可减小蝶阀开启过程中气流对阀体及管道的冲击，减小振动。实践证明，所采取的上述两项措施可有效降低蝶阀的故障率，延长蝶阀的使用寿命，使风洞运行更加安全可靠。
        参考文献
        〔1〕刘健，李福堂，蝶阀流场的数值模拟及分析〔J〕．阀门，2008（3）．
        〔2〕童成彪，COSMOSFloWorks在阀门流体分析中的应用〔M〕．数字化设计，2008：66－69．