基于CFD的蝶板结构改进设计及数值分析

    在输送各种流体介质的管道中，蝶阀常用于调节和截断介质的流动。蝶阀应用广泛，在管道系统中的重要性不断增加，目前国内外有很多学者对蝶阀的流动特性展开了相关研究。Kimura等从理论上分析了蝶阀的压力损失特性；Kim等通过对阀门的流动特性和性能试验研究，评估了阀门流量系数和阀门损失系数与阀门开度之间的关系；宋学官等通过数值模拟分析了蝶阀的流量系数、水力扭矩系数及空化系数等，为蝶阀的改进提供了依据。在结构设计上，国外针对蝶阀的设计研究较多，并采用现代设计手段对蝶阀的结构进行改进。

    随着技术的发展，CFD数值模拟体现的优势越来越明显。与试验研究相比，它能在计算机上直观地显示内部流场情况，同时还具有重复性好、条件容易控制等优点。Kim等通过三维数值模拟，分析了蝶阀内部不可压缩的流体的流动状况，并给出了相应的速度场和压力分布；章威军等采用模型设计、理论分析、数值模拟和试验研究，获得了阀门流量系数与阀门相对开度间的数学关系。另外，还有学者对蝶阀气蚀和噪声的产生、发展以及预防进行了分析。

    蝶阀启闭件是一个圆盘形的蝶板，在阀体内通过绕其自身的轴线旋转达到启闭或调节的目的。蝶阀启闭件的结构对阀内部的流动特性有着重要的影响。文中以直径为300mm的日本巴阀门（株）生产的耐蚀蝶阀结构为基础模型，对其蝶板进行局部改进以避免射流对阀体出口侧内壁造成的冲击，减小冲蚀，改善流场情况。运用Fluent软件对梳齿形和楔形2种结构蝶板的2台蝶阀模型进行数值模拟，对比分析蝶板结构对内部流动状态的影响，探讨蝶阀产生气蚀现象的原因，估算相应的压力损失和流阻系数，为阀门的选用和优化设计提供理论依据。

    1 确数值模拟

    1.1 控制方程

    蝶阀内部流场的流动为不可压缩三维黏性流动，流体介质为25℃常温的水；基于不可压的雷诺平均方程组求解，采用k－ε双方程湍流模型构成封闭的方程组。2种模型均用二阶迎风格式离散，离散方程的求解采用压力耦合方程组的半隐式方法（SIMPLE算法）。

    1.2 蝶阀模型及网格划分和边界条件

    为避免射流对阀体出口内壁造成的冲击，减小冲蚀，通过结构优化对蝶阀的蝶板进行改进。在原阀门中的蝶板前后面上增加楔形结构，使其呈对称均匀分布，优化后的蝶板刚度不受影响，保证阀门配合尺寸不变，同时，也要保证阀门的良好密封性。

    为了提供一个完整的流动分析模型，将阀门上游管道5倍于管径处至下游管道10倍于管径处之间的区域作为计算域。采用结构与非结构网格相结合的有限体积法对控制方程组进行离散，网格总数约为1.5×10⁶，采用自适应的网格技术对流场进行调整使其更准确地模拟流动。2种蝶阀的蝶板模型如图1所示，流道的计算域如图2所示。

图1 2种蝶板模型

图2 流道的计算域

    假定进口边界条件为速度进口，给定管道进口速度为3m/s；出口边界条件为自由流动。计算中忽略重力对流场的影响。

    2 阀门数值模拟结果的流场分析

    通过对蝶阀不同开度下的内部流场进行数值模拟，得到相应的流场分布。图3为蝶阀阀板在10%，40%及100%开度下梳齿形蝶板与楔形蝶板阀门流道的流场分布。

    2.1 梳齿形蝶阀内流道的流场分析

    由图3可以看出，蝶阀开度为10%时，由于蝶板开度小，蝶板前后压力分布不均，前部压力很大、流速很小，流体几乎被堵住，蝶板直径边缘与管道之间的狭窄流道流速较大，且数值明显高于开度为40%和100%的情况，在蝶板背面区域存在较大面积的低压区，这将在阀板背面形成旋涡。

    在蝶阀开度为40%时，蝶板背面的低压区面积减小，主要集中在梳齿部分，流速较大的区域有所扩大，但流速较10%开度时明显减小，流速在上下两处的过流区域明显增大，并形成涡流，对管壁形成了较大冲击。由于蝶阀背面存在局部低压区，从蝶板右方越过的流体部分折向左方流动，从蝶板左方流过的流体部分折向右方流动，在阀板背面形成旋涡。

    当蝶阀全开时，压力分布较为均匀，压力梯度较小，低压区主要集中在蝶阀入口端的蝶板边缘和梳齿部位，流速和压力较小部位分布基本一致，都集中在梳齿和出口端部位。整个流态并不平稳，且左右不对称，由于阀板上固定阀杆部位的凸起及梳齿对水流形成阻隔，造成水的流速增大，局部水力损失较大，造成一定的过阀损失，对管壁形成一定的冲击。

图3 不同开度下2种蝶阀的内部流场分布

    楔形蝶板的蝶阀内流道的流场分布如图3所示。当蝶阀开度为10%时，蝶板前后压力分布不均，前部压力很大、流速很小，蝶板直径边缘与管道之间的狭窄流道流速较大，在蝶板背面蝶板与管道交汇部位的低压区较梳齿蝶板阀有所减小，主要集中在蝶板与流道之间的过流区域，但旋涡依然存在；当蝶阀开度为40%时，蝶板背部压力分布相对较为均匀，低压区较梳齿蝶板阀内明显减小，流速及分布和梳齿蝶板阀内无太大区别，在蝶板背面仍存在旋涡。当蝶阀全开时，压力和流速分布均匀，压力梯度较小，压力主要集中在蝶板入口端，流速梯度较小且分布均匀，较梳齿蝶板阀内有显著变化，整个流态相当平稳，左右呈对称状态，流速较大部位均匀地分布于蝶板中间凸起部位，对管壁并未形成冲击。

    3 阀门内部流动特性分析

    3.1 流阻系数ζ

    当介质流经阀体时，如果蝶阀的流阻系数较小，将有利于水流的通过，其流体阻力损失以阀门前后的流体压力降表示。流阻系数ζ为

        （1）

    式中：ζ为阀门的流阻系数；Δp为被测阀门的压力损失，Pa；ρ为介质密度，kg/m³；v为流速，m/s。

    3.2 阻塞流压差降Δ_pC

    当介质流经阀门节流面又流向一个较宽的通道后，流速降低，压力回升，由阀门最小射流截面处压力变为出口压力p₂，这种现象称为阀门的“压力恢复”。阀门压力降Δp为p₁和p₂之差，Δp越大，能量损失越大。若阀门的压降超过了式（2）计算值将完全气蚀，即当Δp＞Δpc时，将发生“阻塞”现象。阻塞流压差ΔpC为

        （2）

    式中：ΔpC为产生阻塞流时阀上的压差；F_L为压力恢复系数，其中，F_L=0.55；p₁为阀后压力；p_V为阀前温度下的饱和蒸汽压力，当水温为25℃时，p_V=3.2kPa；p_C为液体热力学临界点压力，p_C=22.1MPa。

    3.3 气蚀系数δ

    由于各种阀门构造不同，因此允许的气蚀系数δ也不同。蝶阀的容许气蚀系数为2.5。当δ＞2.5时，不会发生气蚀；当2.5＞δ＞1.5时，会产生轻微气蚀；δ＜1.5时，会产生振动；δ＜0.5的情况下如果继续使用，则会损伤阀门和下游的配管。气蚀一般用气蚀系数δ来量化：

        （3）

    式中：H₁为阀前的压头，m；H₂为阀后的压头，m；υ为流速，m/s；g为重力加速度。

    通过数值模拟，根据相应的流动特性参数计算公式，可以获得阀门的流动特性。不同开度下蝶阀的压差及气蚀系数如图4所示。

    从图4中可以看出，2种蝶阀的前后压差Δp在小开度条件下明显大于产生阻塞流时阀上的压差ΔpC，即Δp＞ΔpC，表明在阀门开启的过程中存在“阻塞”现象，但随着开度的增大逐渐减小。

图4 不同开度下蝶阀的压差和气蚀系数

    楔形阀的阀门压力损失和阻塞流压差都较梳齿形阀的大。当阀门开度大于50%时，2种结构的阀门气蚀系数值大于容许气蚀系数，不会发生气蚀现象；当阀门开度在40%～50%时，会产生轻微气蚀；在开度大于60%的情况下，楔形阀门较梳齿形阀门的抗气蚀能力强。总体上，楔形蝶板阀的气蚀系数较梳齿形蝶板阀有所增大，抗气蚀性能增强。

    不同开度下，2种不同蝶板结构的蝶阀的流阻系数如表1所示。

表1 2种不同结构的蝶阀流阻系数计算数值对比

    由表1可以看出，楔形蝶板的蝶阀与梳齿形蝶板的蝶阀相比，在阀门开度小于30%的情况下，流阻系数有小幅增大，阀门阻力增大，不利于流体的通过；当阀门开度大于40%时，流阻系数逐渐减小，开度为90%时减小的最大幅度达到了20%。因此，楔形阀板在开度较大的情况下，阀门流阻系数明显改善，蝶阀的流通能力得到提高。

    4 结论

    1）蝶阀在开度为40%～100%时，过流状态较好。在较大开度时楔形蝶阀的流阻系数明显比梳齿形蝶阀小，这更加有利于水流的通过。阀门开度达到90%时，楔形齿对流阻系数的影响较梳齿更大。

    2）阀门开度小于30%时“阻塞”现象严重，存在明显的空化现象，气蚀系数较小；开度大于40%时，“阻塞”现象和空化现象减弱，气蚀系数增大，伴有轻微气蚀；开度大于50%时，气蚀系数陡然增大，未产生气蚀。

    3）开度小于40%时，蝶板前后压差较大，所承受的压力较大，且背面出现较大的旋涡；当开度大于50%时，楔形蝶板背面旋涡区减小，压力梯度减弱，过渡区域增大，蝶板周围压力分布更均匀，局部应力状态得以改善，阀门的安全性得到提高，达到了相应的优化效果，对阀门的优化设计有一定的指导意义。