通過流阻試驗(yàn)獲得了直徑為680mm的三偏心蝶閥在不同開度和速度下的流阻系數(shù)。以試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)驗(yàn)證湍流模型，選擇SST模型作為湍流模型，建立獲得三偏心蝶閥詳細(xì)流場的數(shù)值模型。利用該數(shù)值模型對試驗(yàn)蝶閥在90°、70°、50°開度下的流場和流阻系數(shù)進(jìn)行預(yù)測，90°代表全開。試驗(yàn)結(jié)果表明，50°開度的流阻系數(shù)值約為90°開度流阻系數(shù)值的9倍；三偏心蝶閥全開時(shí)的流阻系數(shù)值約為中線蝶閥全開時(shí)流阻系數(shù)值的6倍。數(shù)值分析表明，全開狀態(tài)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(jìn)行優(yōu)化，以減小流阻系數(shù)；隨著開度減小，流體的流動產(chǎn)生與閥板關(guān)閉方向一致的力矩，幫助閥板關(guān)閉。

1、引言

　　蝶閥由于結(jié)構(gòu)簡單、體積小、操作簡單，被廣泛應(yīng)用于管線中，發(fā)揮截?cái)嗪土髁空{(diào)節(jié)功能。為滿足各種工況要求，蝶閥先后經(jīng)歷了從中線蝶閥向單偏心蝶閥、雙偏心蝶閥和三偏心蝶閥的演變。三偏心蝶閥是結(jié)構(gòu)最先進(jìn)的一種蝶閥，它具有優(yōu)異的密封性能，可用于高溫、高壓環(huán)境，滿足了電站、石油、化工、冶金等行業(yè)對管件的苛刻要求，正得到越來越廣泛的應(yīng)用。

　　流阻系數(shù)是衡量閥門性能優(yōu)劣的主要參數(shù)之一。它影響管路的阻力特性，是設(shè)計(jì)者和用戶非常關(guān)注的參數(shù)。但是，目前包括《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊》在內(nèi)的專業(yè)文獻(xiàn)均沒有提供三偏心蝶閥的流阻系數(shù)值，不利于工程設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用。蝶閥的流阻系數(shù)與繞流蝶閥的流場緊密相關(guān)，可以通過模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算2種方法獲得三偏心蝶閥的流阻系數(shù)。模型試驗(yàn)花費(fèi)多，從開始制造到完成試驗(yàn)的周期長，并且試驗(yàn)對象和試驗(yàn)工況有限；而數(shù)值計(jì)算不僅能彌補(bǔ)模型試驗(yàn)的缺點(diǎn)，在預(yù)測蝶閥流阻系數(shù)的同時(shí)還能獲得繞流蝶閥的流場細(xì)節(jié)，可以更有效地對蝶閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，目前已廣泛地應(yīng)用于包括蝶閥在內(nèi)的各種流體機(jī)械中。三偏心蝶閥的研究集中于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，沒有關(guān)于其流阻系數(shù)和流場的研究報(bào)道，但其它類型的蝶閥均有相關(guān)報(bào)道。

　　本文將分享已有的三偏心蝶閥流阻試驗(yàn)結(jié)果，為蝶閥設(shè)計(jì)者和用戶提供準(zhǔn)確的三偏心蝶閥流阻系數(shù)試驗(yàn)值，節(jié)約其研究經(jīng)費(fèi)和時(shí)間；另外，將以試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)建立數(shù)值模型，對三偏心蝶閥的流場和阻力特性進(jìn)行數(shù)值研究，詳細(xì)分析和總結(jié)三偏心蝶閥的流動特點(diǎn)，為其實(shí)際應(yīng)用和優(yōu)化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

2、三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)

　　三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示。它具有3個(gè)偏心，分別由圖1的a、b和β表示，其中：a為軸向偏心，表示閥板的旋轉(zhuǎn)中心與蝶閥密封截面之間的軸向距離；b為徑向偏心，表示閥板的旋轉(zhuǎn)中心與閥體中心線之間的徑向距離；β為角偏心，表示閥座旋轉(zhuǎn)中心線與閥體中心線之間的角度。

圖1 三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)

　　由于存在角偏心，三偏心蝶閥的閥板密封面形狀為橢圓，不同于一般蝶閥的圓形密封面，它將閥板和閥座之間的密封形式由線密封優(yōu)化為面密封，使得蝶閥密封性能更優(yōu)。另外，由于3個(gè)偏心的存在，三偏心蝶閥為偏置板式結(jié)構(gòu)，閥板形狀不對稱。

3、三偏心蝶閥的流阻試驗(yàn)

3.1、試驗(yàn)對象

　　試驗(yàn)對象為一直徑680mm的三偏心蝶閥(DN650三偏心蝶閥)，它所在圓管內(nèi)徑680mm，蝶板最大厚度47mm。

3.2、試驗(yàn)回路

　　采用圖2所示的試驗(yàn)回路對DN650三偏心蝶閥在不同開度來流速度下的流阻系數(shù)進(jìn)行測量。試驗(yàn)回路出口布置一臺變頻軸流風(fēng)機(jī)改變來流速度；回路進(jìn)口布置一個(gè)整流柵，保證進(jìn)入蝶閥的來流速度均勻；試驗(yàn)蝶閥前后各布置一個(gè)壓力傳感器測量空氣繞流蝶閥產(chǎn)生的壓差，壓力傳感器布置在遠(yuǎn)離蝶閥進(jìn)口和蝶閥出口10倍管徑處，以保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)JB/T5296—91《通用閥門流量系數(shù)和流阻系數(shù)的試驗(yàn)方法》進(jìn)行，在江蘇神通閥門股份有限公司完成。

圖2 DN650三偏心蝶閥的流阻試驗(yàn)回路

3.3、試驗(yàn)內(nèi)容

　　試驗(yàn)?zāi)康氖菧y量DN650三偏心蝶閥在不同開度和不同來流速度下的流阻系數(shù)，因此，試驗(yàn)內(nèi)容共包括2部分：

　　(1)測量空管的壓差。采用空的直管段代替蝶閥所在管段，改變不同來流速度，通過兩個(gè)壓力傳感器獲得空管的壓差，進(jìn)一步擬合得到空管壓差與來流速度之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

　　(2)固定蝶閥開度，測量不同來流速度下蝶閥本體引起的壓差。首先固定蝶閥開度，改變來流速度，獲得蝶閥前后的壓差；將來流速度代入第一部分所得的空管壓差與來流速度的關(guān)系式中，插值得到空管壓差；從測量得到的蝶閥前后壓差中減去插值獲得的空管壓差，得到蝶閥本體所引起的壓差。同時(shí)在試驗(yàn)中測量試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)，包括溫度、壓力、濕度。然后將蝶閥固定在不同開度，采用相同步驟進(jìn)行不同來流速度的試驗(yàn)。最后將測量結(jié)果進(jìn)行整理，獲得DN650三偏心蝶閥在不同開度和不同來流速度下的流阻系數(shù)曲線。

　　對DN650三偏心蝶閥在6個(gè)開度(90°、85°、80°、70°、60°、50°)下的流阻系數(shù)進(jìn)行了測量，其中90°開度代表蝶閥處于全開狀態(tài)。

　　蝶閥流阻系數(shù)定義如下：

　　式中 Δp———被測閥門的壓力損失，Pa

　　ρ———介質(zhì)密度，kg/m3，取回路進(jìn)口處平均密度

　　V———管道內(nèi)介質(zhì)的平均流速，m/s，取回路進(jìn)口處平均流速

3.4、試驗(yàn)結(jié)果

　　DN650三偏心蝶閥的流阻試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖可見，隨著蝶閥開度的減小，流阻系數(shù)逐漸變大，蝶閥在50°開度下的流阻系數(shù)平均值達(dá)到10.027，而全開時(shí)的流阻系數(shù)平均值為1.132，前者約是后者的9倍。《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊》中列出的中線蝶閥全開時(shí)流阻系數(shù)值約為0.24，接近三偏心蝶閥全開時(shí)流阻系數(shù)值的1/6。

圖3 DN650三偏心蝶閥的流阻試驗(yàn)結(jié)果

4、三偏心蝶閥流場的數(shù)值研究

4.1、計(jì)算模型

　　計(jì)算模型共包括蝶閥進(jìn)口延長段、蝶閥段和蝶閥出口延長段3個(gè)部分。

　　為了更準(zhǔn)確地預(yù)測三偏心蝶閥的流場，計(jì)算模型包括閥板、閥桿、閥座這些主要影響蝶閥流場的部件。計(jì)算時(shí)，蝶閥進(jìn)口延長段長度取為10倍管道內(nèi)徑，出口延長段長度取為20倍管道內(nèi)徑。

　　三偏心蝶閥流場計(jì)算模型如圖4所示，該圖對文中涉及到的主要術(shù)語均進(jìn)行了標(biāo)識。

圖4 DN650三偏心蝶閥流場計(jì)算模型

4.2、邊界條件

　　介質(zhì)為理想空氣。管道進(jìn)口給定來流速度，在后文的結(jié)果分析時(shí)列出具體速度值；參考壓力設(shè)為1個(gè)大氣壓；出口設(shè)定壓力為零；管道壁面和蝶閥壁面(包括閥板、閥座、閥桿、凸緣對應(yīng)的壁面)設(shè)為絕熱、無滑移邊壁；蝶閥壁面粗糙度設(shè)為0.19mm。采用ANSYSCFX12.1進(jìn)行三偏心蝶閥流場的定常計(jì)算。

4.3、網(wǎng)格劃分

　　選取90°、70°和50°3個(gè)開度進(jìn)行計(jì)算，分別代表全開、較大開度、近似半開3種狀態(tài)。由于三偏心蝶閥流場計(jì)算的幾何模型既包含非全開工況下閥板與閥座之間非常小的間隙，又包含閥板外圍較大的流動區(qū)域，流動區(qū)域尺寸變化大且形狀不規(guī)則，所以采用四面體網(wǎng)格劃分蝶閥段，在閥板、凸緣、閥座附近進(jìn)行加密處理。對蝶閥進(jìn)口延長段和出口延長段采用六面體網(wǎng)格，保證正確求解的同時(shí)減少網(wǎng)格數(shù)。

　　90°、70°和50°開度的計(jì)算網(wǎng)格數(shù)分別為333萬、481萬和327萬網(wǎng)格單元。90°開度的計(jì)算網(wǎng)格如圖5所示，70°和50°開度的網(wǎng)格與此類似。

圖5 DN650三偏心蝶閥的計(jì)算網(wǎng)格(90°開度)

4.4、湍流模型驗(yàn)證

　　選擇70°開度作為湍流模型驗(yàn)證的計(jì)算對象。針對70°開度不同來流速度工況，采用4種常用的湍流模型(SST，RNGk-ε，標(biāo)準(zhǔn)k-ε和標(biāo)準(zhǔn)k-ω)計(jì)算三偏心蝶閥的流阻系數(shù)，數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較如圖6所示。圖例中的“70°-test”表示70°開度下的流阻系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果，“70°-SST”表示采用SST湍流模型計(jì)算得到的70°開度下的蝶閥流阻系數(shù)值，其余標(biāo)識的意義與此相似。由圖可見，對于70°開度下的每個(gè)速度工況，4種湍流模型的計(jì)算結(jié)果非常接近，均小于試驗(yàn)值。由此可得，對于本文算例，湍流模型的影響比較小。由于SST模型綜合了k-ω模型在近壁模擬和k-ω模型在邊界層外區(qū)域計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，它考慮了湍流剪切應(yīng)力的輸運(yùn)，可對逆壓梯度下的流動分離現(xiàn)象給出更精確的預(yù)測，而繞流蝶閥的流場容易出現(xiàn)流動分離現(xiàn)象，所以本文選擇SST模型。

圖6 DN650三偏心蝶閥流阻系數(shù)試驗(yàn)值與數(shù)值解的比較

5、計(jì)算結(jié)果分析

5.1、三偏心蝶閥的流場特性

　　給定進(jìn)口來流速度為19.05m/s，采用上述數(shù)值模型對DN650蝶閥在90°、70°和50°3個(gè)開度下的流場進(jìn)行數(shù)值模擬。

　　5.1.1 速度等值線分布

　　計(jì)算所得的速度等值線分布如圖7所示。氣流流動方向均是從左向右。由圖7可見，三偏心蝶閥全開時(shí)，閥板附近整體上流速分布比較均勻。但由于凸緣的存在，在凸緣與前緣邊間的上游閥板面處存在漩渦；后緣邊由于閥板厚度存在漩渦；下游閥板面的凹槽處也存在漩渦。中線蝶閥由于閥板形狀呈流線型對稱，全開時(shí)的流速分布不存在上述漩渦。這也是本文三偏心蝶閥全開時(shí)流阻系數(shù)試驗(yàn)值大于《閥門設(shè)計(jì)手冊》推薦的中線蝶閥流阻系數(shù)的主要原因，后續(xù)可以針對本文的三偏心蝶閥閥板形狀進(jìn)行優(yōu)化，以減小流阻系數(shù)。

圖7 DN650三偏心蝶閥不同開度下的速度等值線分布

　　3個(gè)開度下，駐點(diǎn)均位于上游閥板面靠近前緣邊處。從90°大開度到50°小開度，駐點(diǎn)位置逐漸向遠(yuǎn)離前緣邊處移動；在前緣邊和凸緣之間的上游閥板面，以及下游閥板面上的附著流動區(qū)越來越大。由于前緣邊、后緣邊與管道壁面之間的縮頸處過流面積均逐漸減小，閥板附近的速度梯度增大，流動的不均勻性加強(qiáng)。在閥板、閥座和凸緣的共同作用下，隨著開度的減小，由于逆壓梯度產(chǎn)生的分離流區(qū)域逐漸變大。

　　5.1.2 壓力等值線分布

　　上、下游閥板面的壓力等值線分布圖如圖8所示。圖8所示的所有閥板面均是后緣邊位于上部、前緣邊位于下部。由圖8(a)可見，每個(gè)開度下的高壓區(qū)均位于凸緣至前緣邊之間的上游閥板面處，隨著開度變小，高壓值增大。由圖8(b)可見，下游閥板面的壓力值均低于對應(yīng)開度下的上游閥板面的壓力值，并且隨著開度的減小，下游閥板面的壓力值減小。即隨著開度減小，上游閥板面與下游閥板面之間的壓差變大，閥板產(chǎn)生的壓力損失變大。另外，圖8(b)顯示下游閥板面的高壓靠近后緣邊處，這與圖8(a)高壓位置正好相反，由此可得，隨著開度減小，流體的流動產(chǎn)生與閥板關(guān)閉方向一致的力矩，即流體的流動有助于閥板的關(guān)閉。

圖8 DN650三偏心蝶閥閥板的壓力分布

5.2、三偏心蝶閥的阻力特性

　　將DN650三偏心蝶閥流阻系數(shù)數(shù)值預(yù)測值與試驗(yàn)值進(jìn)行比較，結(jié)果如圖6所示。由圖可見，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的趨勢一致，流阻系數(shù)均隨開度的減小而增大。50°開度時(shí)的流阻系數(shù)值遠(yuǎn)大于70°開度和90°開度時(shí)的流阻系數(shù)值。這與上述流場分析中獲得的閥板產(chǎn)生的壓力損失隨開度減小而變大相一致。70°和90°開度下的數(shù)值預(yù)測值與試驗(yàn)值符合較好，兩者誤差最大值小于12%；而在50°開度下，數(shù)值預(yù)測值明顯小于試驗(yàn)值。，原因可能是50°開度時(shí)的流動現(xiàn)象更復(fù)雜，對應(yīng)的分離流和尾跡流具有更明顯的非定常特性，而定常解不能反映出這種特點(diǎn)，從而導(dǎo)致數(shù)值預(yù)測值小于試驗(yàn)值。

6、結(jié)論

　　(1)DN650三偏心蝶閥流阻試驗(yàn)結(jié)果表明：50°開度下的流阻系數(shù)平均值約為90°全開狀態(tài)下的流阻系數(shù)平均值的9倍；三偏心蝶閥全開時(shí)的流阻系數(shù)值約為中線蝶閥全開時(shí)流阻系數(shù)值的6倍；

　　(2)DN650三偏心蝶閥流場的定常數(shù)值分析表明：90°全開狀態(tài)時(shí)閥板處存在的漩渦比中線蝶閥的多，可對閥板形狀進(jìn)行優(yōu)化，以減小流阻系數(shù)；隨著開度減小，流體的流動產(chǎn)生與閥板關(guān)閉方向一致的力矩，幫助閥板關(guān)閉。