基于管道改进的蝶阀阀板驱动力矩特性优化

金晓宏，唐 文，曹金秋

(1. 武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室，湖北 武汉，430081；2. 武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室，湖北 武汉，430081)



基于管道改进的蝶阀阀板驱动力矩特性优化

金晓宏1,2，唐 文1，曹金秋2

(1. 武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室，湖北 武汉，430081；2. 武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室，湖北 武汉，430081)

安装在直管中的蝶阀开启时，其阀板下游流场中会产生漩涡，引起管道振动，进而影响阀板的驱动力矩特性。为减少漩涡的影响，本文在蝶阀出口附近处增加一渐扩渐缩管段，并以空气作为流动介质，利用CFD软件进行数值仿真，分析阀板处于不同开度时管道中流体的速度场、压力场分布规律及阀板驱动力矩特性曲线。结果表明，在蝶阀出口附近处安装渐扩渐缩管段，可以有效地减小阀板下游流场的漩涡，使阀板驱动力矩明显减小，有利于对蝶阀阀板开度及流量的精确控制。

蝶阀；管道；阀板；渐扩渐缩结构；流场；漩涡；驱动力矩

蝶阀作为一种用来实现管路系统通断和流量控制的零部件，广泛应用于能源输送、化学工程、给水排水等的系统管路上，适合于在液体、半流体及固体粉末管线容器上作为调节和节流设备使用。蝶阀在一定开度下，流体通过时，阀板下游侧会形成漩涡，导致管道内流体能耗增加，同时可能会引起管道气蚀和振动。流体流过阀门时，改变阀门开度，阀板驱动轴的驱动力矩会发生变化[1]。关于蝶阀漩涡如何消除以及蝶阀力矩特性如何改善的相关研究较多，如吴东垠等[2]设计了一种仿贝壳型蝶阀蝶板，该设计利用仿生学原理，能够有效降低在非关闭状态下流体流经蝶阀时的压力损失，减少蝶板下游漩涡的生成；何庆中等[3]利用CFX软件对某三偏心蝶阀流场进行了数值模拟，发现开度较小时蝶阀下游涡街现象强烈，对蝶板结构进行优化后涡街效应明显减弱；何建慧等[4]在阀板加强筋上开设过流孔，大大增加了流体流量，有效消除了阀板表面漩涡，降低了流动阻力；郑鹏等[5]利用ANSYS FLUENT软件对蝶阀入口处进行高温烟气仿真得出阀开度小于30°时会出现涡流，且阀板开度越小，涡流现象越明显。

为了消除蝶阀小开度时流体通过阀板后产生的漩涡，本研究提出一种对管道进行改造的方法，在原直管蝶阀出口附近处安装一渐扩渐缩管，并比较直管及加装渐扩渐缩管后的管道中阀板开度不同时的流场和驱动力矩，以期为优化阀板驱动力矩提供一种新思路。

1 直管流场分析

1.1 蝶阀直管管道基本参数

图1 直管中的蝶阀安装示意图

Fig.1 Schematic diagram of a butterfly valve in a straight tube

1.2 模型和边界条件设定

(1) 计算模型。由于介质黏度极低，流动状态为湍流，故选取标准湍流k-ε模型。

(2) 材料参数。流体介质为空气，其马赫数不大于0.3，可近似处理为不可压缩；密度为1.225 kg/m3；温度为300 K。

(3) 边界条件。进出口设为压力入口和压力出口，其中入口压力为Pin=0.03 MPa，出口压力为Pout=0 MPa。近壁区采用标准壁面函数法，固壁面采用无滑移边界条件；压力和速度的耦合采用SIMPLE算法，离散格式全部采用二阶迎风格式。

为了能更好地查看阀板附近的流场，将整个CFD模型划分为阀体和管道两部分，而在阀板附近模型相当不规则，因此将阀板附近区域的网格进行加密，共划分网格总数约为105个。数值仿真中阀板开度范围为0°～90°。

1.3 控制方程

气体在阀门及管道内流动是三维的，计算模型采用文献[1]中的方程式(1)～式(5)。模型参数取值为：Cμ=0.09，C1ε=1.44，C2ε=1.92，σk=1.0，σε=1.3。

1.4 仿真结果与分析

不同阀板开度下直管流场的部分速度矢量图如图2所示。由图2中可以看出，当阀板开启时，阀板后侧面处气流出现了漩涡。漩涡的产生主要是因为气体流过阀板时产生了边界层分离[6]，下游气体进入进行补充，产生回流，进而生成漩涡。当阀板开度θ较小时，漩涡的强度较大；随着阀板开度θ的增大，阀板与气体来流方向的夹角(90°-θ)减小，边界层分离减弱，漩涡强度也减弱；同时，随着阀板开度θ的增大，漩涡中心逐步向阀板转轴中心处靠近。

(a)θ=30°

(b)θ=40°

(c)θ=70°

阀板在不同开度下直管流场的部分速度云图如图3所示。不同开度下气流速度的最大值如表1所示。由速度云图和表1可知，蝶阀安装在直管中时，气体在阀板前腔的流动比较稳定，绕过阀板后，速度发生了很大改变，阀板开度为0° ～ 70°时，气流速度的最大值随着阀板开度的增大而增大；开度达到70°时，在阀板下出流开口处，气流速度的最大值达到最高；之后阀板开度继续从70°增至90°时，阀板与气体来流方向夹角较小，阀板背面气流速度变化不大。

(a)θ=30°

(b)θ=40°

(c)θ=70°

表1 直管流场的最大速度

阀板在不同开度下直管流场的部分压力云图如图4所示。不同开度下流场压强Pv的最小值如表2所示。由压力云图和表2可知，当气体流过蝶阀时，阀板上游的压强为正压，其值稳定；阀板后侧面压强为负压，阀板后侧面附近区域内各点压强差异较大。在阀板开度为0°～60°时，负压区域和负压绝对值随着开度的增大而增大；阀板开度为60°～70°时负压区域逐渐减小，负压绝对值在阀板开度为70°时达到最大；阀板开度从70°增至90°时，负压区域和负压绝对值均逐渐减小。

(a)θ=30°

(b)θ=40°

(c)θ=70°

表2 直管流场中的压强最小值

综上分析可知，蝶阀安装在直管中，气流流过阀板时会生成漩涡，阀板开度较小时气体通过阀板后速度改变较大，此时形成的漩涡强度较大，随着θ的增大，阀板与气体来流方向的夹角减小，边界层分离减弱，漩涡强度减小；负压区域随着开度的增大而扩大，直到阀板开度超过60°时，负压区域才慢慢缩小。

2 渐扩渐缩管流场分析

2.1 改装后渐扩渐缩管的基本参数

由上述分析可知，在直管中，阀板开度较小时，阀板后侧面处气流会形成一个尺寸较大的漩涡。为了减小蝶阀小开度时产生的漩涡，减少管道振动对阀板带来的破坏，使蝶阀在转动时有更好的驱动力矩特性，本研究在原直管上蝶阀出口附近处增加一渐扩渐缩管段，其结构尺寸如图5所示，其中L0=0.4D，L1=D，L2=1.5D，L3=5D，L4=1.5D，δ=20°。

图5 改造后的管道示意图

2.2 仿真方法

渐扩渐缩管流场的计算模型、材料参数和边界条件的设定均与直管流场模型所用参数相同，并采用相同的控制方程。模型共划分网格约162000个，数值仿真中阀板开度范围为0°～ 90°。

2.3 仿真结果与分析

图6所示为不同阀板开度下渐扩渐缩管流场的部分速度矢量图。由图6中可以看出，加装渐扩渐缩管后，阀板开度较小时，阀板附近没有漩涡生成，只在扩大管段的后半部分有两个强度较弱的漩涡生成；随着阀板开度的增大，在θ为40°左右时，在阀板附近生成漩涡，但其漩涡强度较直管流场中相同阀板开度下生成的漩涡强度要小；随着开度的继续增大，阀板附近的漩涡又慢慢减小。这是因为，在渐扩渐缩管段中，管道直径的增大使得气体流速下降，同时扩大段内压力比直管内压力大，也有效地减缓了气体往低压力点的回流运动，使得阀板附近没有回流产生，所以在阀板开度较小时，渐扩渐缩管中阀板附近几乎没有漩涡生成。

(a)θ=30°

(b)θ=40°

(c)θ=70°

Fig.6 Velocity vector of the gradually diverging-converging tube flow field

图7所示为不同阀板开度下渐扩渐缩管流场的部分速度云图。不同阀板开度下渐扩渐缩管流场中气流的最大速度值如表3所示。对比图7与图3及表3与表1可知，增加渐扩渐缩管后，蝶阀管道中气流的最大速度明显减小，比直管中的相应值降低了近10%；随着阀板开度的增大，渐扩渐缩管流场中气流的最大速度呈先增大后减小的趋势，在阀板开度约为60°时，气流的最大速度达到最大值；在渐扩渐缩管中，阀板的上出流开口处和下出流开口处的气流速度较大，扩大段中心的气流速度较小；随着阀板开度的增大，上出流开口和下出流开口增大，渐扩渐缩管流场中气流速度较小的区域变小。

(a)θ=30°

(b)θ=40°

(c)θ=70°

Fig.7 Velocity contour of the gradually diverging-converging tube flow field

表3 渐扩渐缩管流场的最大速度

Table 3 Maximum speed of the gradually diverging-converging tube flow flield

阀板开度/(°)0102030405060708090最大速度/m·s-10123182220263253266262241721

图8所示为不同阀板开度下渐扩渐缩管流场的部分压力云图。表4所示为阀板不同开度下渐扩渐缩管流场中压强Pv的最小值。由图8可知，在阀板开度为30°～70°时，随着阀板开度的增大，负压区域呈减小趋势。由表4可知在阀板开度为0°～60°时，渐扩渐缩管中负压绝对值随着阀板开度的增大而增大；阀板开度为60°时，渐扩渐缩管负压绝对值达到最大；阀板开度为60°～90°时，渐扩渐缩管中负压绝对值随着阀板开度的增大而开始缓慢减小。对比表4与表2可知，渐扩渐缩管流场负压区的负压绝对值要小于直管流场负压区的负压绝对值，增加渐扩渐缩管后管道中气流的负压绝对值减小了近一半。

(a)θ=30°

(b)θ=40°

(c)θ=70°

Fig.8 Pressure contour of the gradually diverging-converging tube flow field

表4 渐扩渐缩管流场中的压强最小值

综上分析可知，在相同开度条件下，相对于直管流场而言，渐扩渐缩管流场在蝶阀小开度时漩涡现象大为减弱，气体的最大速度值明显下降，负压绝对值也大大降低。

3 渐扩渐缩管的驱动力矩特性分析

蝶阀转动所需要的总驱动力矩To等于阀板的气动力矩Tm和摩擦力矩Tf的和，其中Tf随着阀板的转动变化很小，可以忽略，故阀板的驱动力矩近似等于气动力矩，其计算公式为[7]：

式中：Fx、Fy分别为阀板单位面积上沿x、y方向所受的作用力；n为网格节点总数。

采用FLUENT中的Report工具进行求解，结果如图9所示。由图9可以看出，与在直管中相比，增加渐扩渐缩管后阀板的驱动力矩有一定程度的减小；两种不同的管道中，蝶阀阀门开启后，随着开度的增大，阀板的力矩特性均呈先单调递增，达到最大值后蝶阀力矩又开始单调递减的规律，直管和渐扩渐缩管中阀板开度分别为76°和63°时其力矩达到最大值，最大值分别为2611 N·m和1475 N·m，渐扩渐缩管中阀板驱动力矩的最大值相对于直管中阀板驱动力矩的最大值减小了约44%。

综上分析可知，与蝶阀在直管中安装的情形相比，开度相同时，在渐扩渐缩管中蝶阀阀板的驱动力矩更小，产生最大驱动力矩的起始开度也较小。

图9 阀板驱动力矩曲线

加装渐扩渐缩管后，蝶阀阀板的驱动力矩特性曲线较直管中蝶阀阀板的驱动力矩曲线平缓。较小的驱动力矩值和平坦的力矩曲线，更有利于对蝶阀阀板开度乃至蝶阀流量的精确控制。

4 结论

(1)蝶阀安装在直管中，气流通过阀板时，由于钝体绕流作用，气流绕过阀板边缘后发生边界层分离，使阀板背面产生漩涡，并且随着阀门开度增大，漩涡减弱，气流最大速度出现在气流穿过阀板时下出流开口处。

(2)增加一段渐扩渐缩管有利于降低管道中的负压强度，降低阀板下出流开口处的最大气流速度，消除阀板小开度时阀板附近产生的漩涡，但是在阀板开度较大时在阀板附近还是有较小的漩涡产生。

(3)增加一段渐扩渐缩管有利于改善阀板的驱动力矩。增加渐扩渐缩管段后，阀板驱动力矩的最大值减小了约44%，更有利于对蝶阀阀板开度乃至蝶阀流量的精确控制。

[1] 沈洋, 金晓宏, 杨科. 蝶阀三维流场仿真和阀板驱动力矩求解[J].中国科技论文, 2013, 8(8): 820-823.

[2] 吴东垠, 王利兵, 王健, 等. 一种仿贝壳型蝶阀蝶板: 中国，CN102829198A[P].2012-12-19.

[3] 何庆中, 王渝皓, 王佳, 等. 基于CFX的大口径蝶阀的流场分析及结构优化[J].流体机械, 2016, 44(5): 42-46.

[4] 何建慧, 章永华. 蝶阀内部流动特性仿真分析及结构优化[J].机械研究与应用, 2014(2): 4-7.

[5] 郑鹏, 喻九阳, 叶萌, 等.烟机入口电液式高温蝶阀流场研究[J].阀门,2015(1):10-12,24

[6] 金晓宏, 李远慧. 流体力学(英语教学版)[M]. 北京: 中国电力出版社, 2011: 97.

[7] Danbon F, Solliec C. Aerodynamic torque of a butterfly valve—influence of an elbow on the time-mean and instantaneous aerodynamic torque[J].Journal of Fluids Engineering, 2000, 122(2): 337-344.

[责任编辑 郑淑芳]

Optimization of driving torque characteristics of butterfly valve plate based on pipeline improvement

JinXiaohong1,2,TangWen1,CaoJinqiu2

(1. Key Laboratory of Metallurgical Equipment and Control Technology of Ministry of Education, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081,China; 2. Hubei Key Laboratory of Mechanical Transmission and Manufacturing Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)

When the butterfly valve installed in a straight tube is opened, vortex will be generated downstream of the valve plate, which will cause pipe vibration and consequently affect the driving torque characteristics of the valve. In order to reduce the impact of vortexes, a tube with a gradually diverging and converging structure was added to near the butterfly valve outlet. With air as a flow medium and by means of CFD software, numerical simulation was carried out to analyze the velocity field of the fluid, pressure distribution and driving torque characteristic curve of the valve when the valve plate is of different openings. The results show that vortexes can be effectively reduced by installing the gradually diverging and converging tube near the butterfly valve outlet. The driving torque of the valve plate is obviously reduced, and accurate control of the valve plate opening and the flow rate of the butterfly valve is realized.

butterfly valve; pipe; valve plate; gradually diverging-converging structure; flow field; vortex; driving torque

10.3969/j.issn.1674-3644.2017.02.008

2016-10-18

国家自然科学基金资助项目(51675387).

金晓宏(1960-)，男，武汉科技大学教授. E-mail: jinxiaohong@wust.edu.cn

TH138;TK7

A

1674-3644(2017)02-0121-06