过热蒸汽三偏心蝶阀流量特性研究与优化

苏 文，杨 伟，王和顺

（西华大学机械工程学院,四川 成都 610039）

蝶阀是工业领域常用的一种调节阀，主要用于控制和调节流过管道的流量。阀瓣（蝶板）是蝶阀组件中控制流体流通的主要部件，阀瓣与阀体一般能形成0°到90°的开度，开口通道面积随角度的变化增大或者减小，从而达到控制调节的目的。在实际开发过程中，对蝶阀的研究通常是先经过理论计算，再进行数值模拟，结合流体分析软件，如FLUENT、CFX 等，将计算得到的数据作为参考，并进行验证。在对三偏心蝶阀的研究中，文献[1]研究不同偏心数的蝶阀，发现单偏心、双偏心和三偏心蝶阀的流量系数和阻力系数完全不同。三偏心蝶阀的3 个偏心值影响流量系数和流阻系数。文献[2]从三偏心蝶阀的结构入手，以氮气为介质，研究轴向偏心、径向偏心和角度偏心与流量特性的关系，发现径向偏心值对流量特性的影响是3 个偏心值中最大的。文献[3]研究不同开度下的连杆蝶阀，发现阀杆旋转到60°以上时，阀门附近的蒸汽速度和涡流显著增加，阀板上的蒸汽温度高达400 K。文献[4]对三偏心蝶阀流阻系数进行数值分析后得出，三偏心蝶阀在阀板处存在的漩涡比中线蝶阀多，可对阀板形状进行优化。文献[5]测试DN200 三偏心蝶阀流阻系数，通过数值分析得出三偏心硬密封蝶阀在开度为0°到40°具有有效的流量调节能力，但此区间流动稳定性差。文献[6]分析管道的沿程压力损失，计算蝶阀在多种开度下的流阻系数，提出一种有效减小流阻系数的蝶板过流面。虽然关于三偏心蝶阀的研究有很多，但是关于通过优化结构来优化流量特性的研究却少有报道。

本文以过热蒸汽为介质，给出CFD 模型，引入适合描述真实气体的S-R-K 状态方程，并求解得到流量特性曲线，分析特性曲线，改变蝶板结构设计了10 种改进方案，分析对比方案在开度80°到90°的流量特性曲线，得到优化方案，最后结合压力云图和速度云图对优化方案进一步验证。

1 CFD 模型与网格划分

三偏心蝶阀的组成部件主要包括蝶板、阀体、压板、压圈、垫圈、轴，其结构示意图如图1 所示。其中：e是第一偏心距，为阀轴横向中心与阀座横向中心的距离；a是第二偏心距，为阀座纵向中心与阀轴纵向中心的距离；β是第三偏心角，为阀座横向中心与阀座横向中心绕和阀轴纵向中心的交点旋转的角度。消去倒角和小孔后的三偏心蝶阀几何模型如图2 所示。

图1 三偏心蝶阀结构示意图

图2 蝶板、阀体与轴的简化几何模型

为获得该三偏心蝶阀的流量特性曲线，需要获取不同开度下的流量数据。从5°开始，以每5°为一个间隔，计算到90°，共 18 个开度。通过布尔运算，得到该三偏心蝶阀的计算域。为减少回流现象的产生，流体域上游长度取12d（d=0.315 m），下游长度取20d[7]，均以阀体两端面开始计算长度。开度60°时的流体计算域整体模型如图3 所示。

图3 开度60°的流体计算域模型

在阀体流场域中，几何形状较为复杂，因此：选择的网格类型为四面体非结构网格，对于上下游使用六面体结构网格；为减少不必要的计算时间，考虑对称性，选择建立1/2 的模型。开度60°时蝶阀处的网格模型如图4 所示。

图4 开度60°的网格模型

2 流体分析

2.1 FLUENT 参数设置

该过热蒸汽的环境是0.1 MPa 和573.15 K，计算的声速在此环境下为585.67 m/s。在整个计算域中，流体速度较高，大部分区域的马赫数超过0.3，甚至超过1，必须考虑其可压缩性，因此，密度、比热、导热系数、黏度系数视为变量。

过热蒸汽不完全符合固有气体定律，应作为真实气体进行处理。本文采用雷德利希-邝氏方程的一种修正方程，即索阿韦-雷德利希-邝氏方程，简称S-R-K 方程[8]对过热蒸汽的密度进行描述。

比热容、热导系数、黏度均采用与温度相关的四次多项式进行拟合。虽然表达式一样，但拟合系数相异，表达式为

式中 ∆分别表示比热容Cp（J/(kg·K)）、导热系数（W/(m·K)）、黏度系数（kg·m·s）。导热系数和黏度系数采用缺省值，比热容拟合多项式系数[9]如表1所示。

表1 比热容拟合多项式系数

在利用FLUENT 软件进行数值计算之前需要对其中的必要参数进行设置。过热蒸汽流过蝶阀过流面时，速度往往发生剧烈变化，产生强烈湍流。对于湍流的数值模拟，常采用两方程k−ϵ湍流模型，因此，本文采用此模型模拟过热蒸汽在流体域内的湍流状态。本文使用标准壁面函数来描述边界层，须考虑流体的重力。本文采用Pressure Based下的压力与速度耦合算法PBCS 进行数值计算。为获取稳定时的流速、流量等数据，本文选择稳定分析。流体域内温度发生变化，因此考虑能量守恒方程。对于边界条件，入口边界条件类型为压力入口，出口边界条件类型为压力出口。壁面边界条件为静止非滑移，绝热。设置离散格式、松弛因子后进行初始化并计算求解。

2.2 流量系数计算

过热蒸汽为可压缩气体，根据文献[10]，基于膨胀系数法的可压缩气体的流量系数计算公式为

式中:N6为数字常数；W为流体质量流量，kg/h；Fp为 管道几何形状系数；P1为 入口处压强，kPa；Y为膨胀系数；xs为 计算压差比；ρ1为P1和T1时的流体密度，kg/m3。本文各参数[10]取值如表2 所示。

表2 流量系数计算相关物理参数及取值

2.3 数值模拟结果

假设在整个工况中，经过阀门的压力降恒定，根据流量系数计算公式计算出的结果拟合出该三偏心蝶阀的固有流量特性曲线，如图5 所示。

图5 原模型的固有流量特性曲线

当蝶阀开度在5°到30°时，基本符合等百分比流量特性，在这个阶段蝶阀具有良好的调节控制能力和精度。当蝶阀开度逐渐增大达到35°到65°时,等百分比流量特性消失，逐渐接近于线性流量特性，蝶阀的调节控制能力和精度下降。当蝶阀开度达到70°以后，流量特性变差，曲线斜率不断下降，尤其是当开度达到80°之后，流量系数值反而降低，表明蝶阀的调节控制能力和精度大为降低，因此该固有流量特性需要优化。

3 结构与流量特性优化

结构因素对流量特性的影响主要在于不同的结构导致流体具有不同的流动状态，从而影响输出流量。本文通过改变结构形态以达到优化流量特性的目的，并结合压力场与速度场进一步验证其可靠性。

3.1 结构优化

除规定的蝶板直径与轴孔直径外，蝶板的外形结构由以下因素控制：锥面凸台、锥面斜度、蝶板底面凹槽深度、压板厚度、第一偏心距e、第二偏心距a，第三偏心角 β。本文从蝶板的外形入手，对蝶板外形按照单一因素变量法进行修改，将所得的流量数据与原数据进行比较，并从其中选出最优的修改方案。原模型与各方案的效果图如图6 所示（图中绿色虚线代表原方案的位置，红色虚线代表改动之后的位置）。表3 是开度为80°到90°的各种外形被改变之后计算得到的流量系数。图7 为各方案在该范围的流量系数—相对开度曲线。

表3 各种方案下在开度80°～90°的流量系数

图6 原方案与方案1—10 对比图

在图7 中，所有方案的流量特性曲线均为下降趋势。为分析流量特性的优劣，需将各曲线的变化幅度与原模型进行比较。因此，计算出各方案相邻开度之间流量系数差值，将其作为因变量，并分别在同一假定自变量范围内绘制直线斜率图，如图8所示。

图8 开度80°、85°和90°相邻两开度间流量系数差值的直线斜率图

该三偏心蝶阀流量特性曲线的优化主要集中在开度80°到90°，在此区间，蝶阀的调节控制能力较其他开度都大为降低。以原模型在开度80°到90°的流量特性曲线为基准，比较各方案在此区间的流量特性曲线变化斜率，曲线越缓斜率越大，在同一开度下具有更高的调节能力和精度。在图8中，方案1、方案5、方案6、方案7、方案10 的斜率值大于原模型，表明在图7 中这些方案的流量系数变化量曲线比原模型更平缓，更利于优化流量特性。此5 个方案中，方案7 的斜率远大于其他方案，因此选择方案7 作为优化流量特性的最佳方案，即蝶板底面与压板外端面等高。

3.2 原模型与优化方案7 的压力场对比分析

原模型与优化方案7 在开度80°和90°的压力场云图如图9 和图10 所示。从开度70°到90°，通过蝶板两侧的高压区变化相对平稳，中、低压区变化较为明显。

图9 原模型与优化方案7 在开度80°压力场云图

图10 原模型与优化方案7 开度90°压力场云图

通过对比，可以看出优化后的蝶板两侧的中低压区分布明显具有更好的对称性与均匀性，蝶板在使用过程中两侧形成更小的压差，压力梯度得到有效减小，从而减小蝶阀震颤，增强平稳性。

3.3 原模型与优化方案7 的速度场对比分析

在三偏心蝶阀下游靠近中央有一低速区，该低速区的范围大小与偏斜角度对管道内壁的冲击力和流体稳定流动的形成均有影响，范围越大，形成稳流的时间越长，反之，越短。偏斜角越大，对管道的冲击越强烈，稳定性越差。因此，需获得小范围与小偏斜角度的这种低速区以加快流体形成稳定流动并减小流体对管道内壁的冲击[11]。图11 和图12 分别是原模型和优化方案7 在开度80°和90°的速度场云图。

图11 原模型与优化方案7 开度80°速度场云图

图12 原模型与优化方案7 开度90°速度场云图

通过图11 和图12 可以看出，优化方案7 在下游的低速区偏斜角θ更小，其范围小于原模型。此外，原模型的蝶板两侧的流体速度分布明显不均匀、不对称，流经蝶板上侧的流体速度明显小于蝶板下侧，这导致两侧的压差增大，造成蝶阀工作时产生不稳定和不平衡的状态，尤其是90°更加明显，而优化后的模型两侧的速度分布具有更好的对称性和均匀性，蝶板两侧压差更小，蝶阀在工作过程中具有优于原模型的稳定性和平衡性。

4 结论

1）对几何模型划分网格，建立了CFD 模型，使用3 参数S-R-K 状态方程模拟过热蒸汽的密度。比热容、导热系数、黏度系数的变化则采用四次多项式拟合实现模拟。

2）求出流量系数并绘制成流量特性曲线。其结果表明，在蝶板开度为80°到90°时，流量特性严重偏离等百分比特性，蝶阀的调节能力变弱。

3）将10 个方案在开度80°到90°的流量系数拟合成曲线并比较，选出变化幅度最小的方案作为最优方案，即蝶板底面与压板外端面等高。通过分析和比较原模型与优化方案7 的压力场和速度场，进一步验证了优化方案7 的有效性。