单偏心蝶阀流量特性数值模拟及结构优化

徐志新，张静，张懿骅，师晓东

(江苏神通阀门股份有限公司江苏省核电阀门重点实验室，江苏 启东226232)

0 引 言

蝶阀因其结构简单、操作方便，在管线中得到广泛应用，主要发挥截断和流量调节作用。

流量系数是衡量蝶阀性能优劣的重要参数[1]。随着科技的发展，数值模拟的优势日益明显。与试验方法相比，数值模拟在计算蝶阀流量系数的同时还能在计算机上获得蝶阀的内部流场情况[2]，可以更加便捷地对蝶阀结构进行优化设计[3]。

针对蝶阀结构及其内部流场的理论研究目前已有诸多报道，但大部分局限于不同蝶板结构对流量影响分析及不同开度下流量特性的分析[4-7]。本研究主要利用流体分析软件FLUENT对不同结构的单偏心蝶阀的内部流场，以及影响流量系数的因素进行分析，得到流量系数最优的单偏心蝶阀结构，从而满足流量系数大于15 000的设计要求。

1 单偏心蝶阀数值模拟

1.1 流量系数计算

流量系数的计算公式如下[8]：

式中：Q为入口水流量，m3/h；ρ为水的密度，kg/m3；ρ0为15 ℃时水的密度（ρ/ρ0=1）；ΔPV为被试验阀门净压差，kPa，ΔPV=ΔP1-ΔP2；ΔP1为被试验阀门及试验管道总压差，kPa；ΔP2为被试验阀门试验管道的压差（不含阀门），kPa。

1.2 计算模型及边界条件

以DN400单偏心蝶阀为分析对象，通过SolidWorks软件建立阀门的模型，在ANSYS Geometry中对阀门内部进行流体填充，为保证流畅达到稳定状体，在阀门前后端分别加上5倍和10倍阀门公称直径长度的管道。

在ANSYS Workbench软件Mesh模块中对流体域模型进行初步的网格划分，以六面体网格划分进出水管道部分，以四面体网格划分阀体内腔部分，并对蝶板外圆面及阀座内圆面进行网格局部加密处理。

分析介质为水，状态为紊流，计算模型选择通用的Standard K-epsilon；求解方法采用求解压力耦合方程的半隐式SIMPLE 算法，选择基于单元的格林-高斯法，求解精度均设为二阶迎风精度；本次计算的进口处边界条件为速度进口，取进口速度v=5 m/s，出口处为压力出口。

2 数值模拟分析

2.1 原始方案模拟分析

原始方案为常用的单偏心蝶阀结构，图1为二维示意图，与流体接触的零部件主要包括：阀体、阀座、蝶板、密封圈、压板、阀轴。阀门全开时流体域模型如图2所示。

在FLUENT中迭代800步，待完全收敛后得到阀门和管道系统总压差ΔP1为8.11 kPa，管道系统压差ΔP2为2.35 kPa，计算得CV=10 998.7＜15 000。故单偏心蝶阀原始方案不能满足设计要求。

图1 原始方案二维图

图2 原始方案流体域及网格划分模型

图3 原始方案90°开度下流动特性图

图3中的流体流动方向均从左向右，从图3（a）速度梯度分布图可以看出，单偏心蝶阀全开时由于固定阀轴的蝶板凸台的存在，凸台右侧、阀座右侧、压板下方均出现旋涡，说明这些区域对流体形成了较大的阻隔作用。从图3（b）可以看出，以上阻隔流体区域均形成了负压。后续可以对单偏心蝶板的结构进行优化，以减小流阻系数。

2.2 优化方案一模拟分析

针对原始方案的不足，需要优化蝶板结构从而减弱对流体的阻隔作用。阀轴直径已定，固定阀轴的凸台截面改变可能性较小，但可以减小凸台长度和减弱阀轴对流体的阻隔作用。优化方案一的二维图如图4所示。将蝶板凸台的长度由原来的90 mm减小为65 mm，单根阀轴变为上下阀轴，但为了保障蝶板的强度，在蝶板流体方向增加20 mm厚的横向梯形筋板。

图4 优化方案1二维图

若不计算管道的流体域，原始方案的阀门流体域体积V1为4.529×107mm3，而优化方案一的阀门流体域体积V2为4.549×107mm3，增加了0.02×107mm3。

对优化方案一进行数值模拟分析，得到阀门和管道系统总压差ΔP1为6.11 kPa，管道系统压差ΔP2为2.35 kPa，计算得CV=13 613.1＜15 000。CV值较原始方案提高了23.7%，但不满足设计要求。

2.3 优化方案二模拟分析

为了进一步增加流体域，需要继续减小蝶板、阀座、压板对流体的阻隔作用。优化方案一中蝶板凸台长度及蝶板厚度很难继续减小，而该结构中压板、阀座需要打螺栓孔固定也没有优化的空间。所以保留优化方案一中蝶板凸台、筋板、上下阀轴的设计，然后将压板去除，蝶板和压板的总厚度由原来的41 mm减为31 mm。密封圈移动到阀体和阀座之间，阀座内径由370 mm增大为380 mm，如图5所示。不仅减小了蝶板和压板在厚度方向对流体的阻隔作用，同时也减小了阀座对流体的阻隔作用。优化方案二阀门流体域体积V3为4.697×107mm3，比优化方案一增加了0.148×107mm3。

对优化方案二进行数值模拟分析，得到阀门和管道系统总压差ΔP1为5.10 kPa，管道系统压差ΔP2为2.35 kPa，计 算 得CV=15917.9＞15000，CV值较优化方案一提高了16.9%，且满足设计要求。

从图6 速度分布云图可以看出，蝶板下端去除压板后，旋涡也消失了，阀座右侧的流速比原始方案有所减小，最高流速也比原始方案有所减小。以上分析表明，优化方案二的结构符合预期的优化方向。

图5 优化方案2 二维图

图6 优化方案二速度云图

2.4 3种方案对比分析

从表1中3种方案的对比可以看出，从原始方案到优化方案一和优化方案二，流体域体积不断增加，求得阀门总压差ΔP1逐渐变小，CV值不断增大直至满足设计要求。该数据对比也验证了2.1小节的分析。为了尽量减小阀门内部零部件对流体的阻隔作用，除了对蝶板结构不断优化外，也可以更换影响流量特性的零部件（如阀座、压板），以此满足设计要求。

表1 三种方案分析结果对比

3 结论

1）利用FLUENT对3种单偏心蝶阀结构进行模拟计算，得到蝶阀全开时整体压差、管道压差、流场分布情况；

2）原始方案流量分析表明，全开时蝶板凸台、压板、阀座位置都会产生旋涡，降低流通能力，可以对这些零部件进行结构优化，减小压差，增大流量系数；

3）对原始方案中的蝶板和阀轴进行结构优化得到优化方案一，其模拟结果虽然不能满足设计要求，但流量系数较原始方案提升了23.7%，表面优化方向是正确的；

4）优化方案二中去除压板，对阀座、密封圈结构进行较大的结构优化，流量系数较优化方案一提升了16.9%，最终满足设计要求。