閥門角度對蝶閥后雙彎管流場影響的數值模擬研究

惠 偉，王少飛

● （上海交通大學 動力機械與工程教育部重點實驗室，上海 200240）

閥門角度對蝶閥后雙彎管流場影響的數值模擬研究

惠 偉，王少飛

● （上海交通大學 動力機械與工程教育部重點實驗室，上海 200240）

本文采用計算流體力學（CFD）數值模擬的方法，研究了不同閥門角度下蝶閥后雙彎管模型中的復雜流動現象，并將數值計算的速度云圖同流場實驗測量結果進行對比驗證。分析結果表明：數值計算結果同粒子圖像速度場測量技術得到的速度云圖基本吻合；閥門角度對流場的影響較大，閥門角度越小，閥板迎背流面的流體擴張也越不明顯，模型最大速度減小；閥板前駐點逐漸向閥板迎流面邊側移動，一次分離區(qū)減小，而二次分離區(qū)先增大后減?。粡澒苤辛黧w質點二次流、流動分離及流動剪切膨脹等是影響流場的重要因素。

計算流體力學；彎管；蝶閥；粒子圖像速度場測量；流動分離

0 引言

由于結構簡單、操作方便等原因，蝶閥作為流動控制與調節(jié)的設備被廣泛應用于動力工程、城市供水、化工、船舶等工業(yè)場合[1-3]。然而，在調節(jié)蝶閥閥板角度以實施流動控制時，蝶閥閥板下游常常有較大流動分離，容易誘發(fā)噪聲輻射和結構振動等不利現象。布置在長直管內部的蝶閥流動分離現象已經得到了非常廣泛的重視和研究[7-9,11]。然而，在某些特殊場合，由于空間布置限制等原因[3]，蝶閥常常需要和彎管就近配合使用，這使得蝶閥和彎管系統內部的流動現象更加復雜[4]。因此，很有必要針對蝶閥彎管系統內部的復雜流場現象進行系統的研究。

本文所選擇的蝶閥后雙彎管模型是對某電廠汽輪機系統中低壓缸間抽汽管道進行的一定幾何相似縮比模型，如圖1所示。圖1中管道橫截面直徑d=100mm，閥門角度定義為來流與閥板迎流面夾角（銳角）θ。其中閥板板面由迎背流面雙凸型圓弧與前后緣扇形圓弧組成。本文采用計算流體力學手段對這一蝶閥后雙彎管系統中所存在的復雜流動現象進行了系統的數值模擬和分析，與流場測量結果進行對比驗證后，重點對比分析相同進口質量流量下不同閥門角度（0°、15°及30°）對模型復雜流場的影響。

圖1 模型示意圖

圖2 網格劃分策略

1 數值計算模型

本文采用商用計算流體力學軟件 ANSYS CFX 14.0實現流場穩(wěn)態(tài)計算。由于幾何模型結構的對稱性，并基于相關比較分析及文獻[9]，實際計算區(qū)域僅取原始模型的一半，以避免計算網格數量過多帶來的諸多不利。采用ICEM CFD 14.0實施混合網格劃分，閥門角度為0°時網格劃分策略見圖2，其它兩種角度與之相似，出于篇幅考慮，本文不再附圖贅述。湍流模型采用該軟件中SST模型[6]，壁面函數采用automatic near-wall treatment（近壁面網格滿足Y+<2）。

流動控制方程組由可壓縮流動雷諾方程、理想氣體狀態(tài)方程和各湍流模型方程組成[10,11]?？諝饨橘|按理想氣體處理，參考壓力為97856Pa，并考慮粘性耗散效應。離散方程采用有界高精度對流格式求解，并通過Rhie和Chow算法計算質量流量，以保證壓力速度耦合。在299k和湍流度 5%下，進口給定總壓（34.85Pa）；出口給定質量流量（m=0.0463kg/s），且速度和溫度分布滿足局部單向化假設；閥板用丙烯黑色顏料涂黑處理，故設置為無滑移絕熱邊界條件；因實驗管道材料（有機玻璃）導熱系數較小，故管道壁面設置為無滑移絕熱邊界條件；對稱面（圖1中平行紙面方向所取的中截面）設置為對稱邊界條件。分別在閥板迎背流面及兩彎管內側各選定一個速度監(jiān)控點，殘差標準設為10-5。網格無關性驗證指標是閥板扭矩值是否隨網格數增加而變化，見圖4。此處扭矩表示流體對指定二維區(qū)域（這里指閥板面）作用力相對特定軸（這里指穿過閥板中心且垂直紙面的軸線）產生的力矩；對壁面邊界條件而言，作用力為氣體壓力和粘性切應力之和在所選面上積分[7]；具體計算過程通過商業(yè)軟件中相關函數實現。

2 PIV試驗驗證

2.1 試驗設備

為驗證數值計算結果，本文首先進行了流場測量實驗，具體是通過高分辨率粒子圖像速度場測量技術（Particale Image Velocimetry,PIV）[8]來完成的，其可獲得閥門角度為30°時中截面閥板附近的速度云圖。該測量系統由高分辨率相機、激光器、同步控制機構、圖像采集系統以及PIV圖像分析軟件組成。基本原理如下：激光器和相機通過同步器控制，采集的數字圖像實時傳輸到計算機硬盤中，經過MicroVec粒子圖像分析軟件處理，得到瞬態(tài)流場整場速度分布。

實驗中使用的激光發(fā)射裝置為英國 Litro公司 Nano系列YANG式脈沖激光器，能量135mJ/pluse，激光波長532nm，發(fā)射激光的脈沖寬度 8ns；高分辨率相機為為美國 IMPERX公司的高分辨率，黑白工業(yè)相機，型號為ICL-B4820M- KF000，分辨率可達4872×3248；同步控制器為MicroPulse725可編程同步時序控制器，集成有時間信號發(fā)生器，具有高精度獨立的7通道延時時間控制器，延時精度為0.25ns；示蹤粒子為癸二酸二辛酯（DEHS）；圖像采集和計算采用北京立方天地MicroVec V3.1.1軟件完成。

為了達到最好的拍攝效果以剔除背景噪聲，在成像前用丙烯黑色顏料對管道和蝶閥背面進行涂黑處理，并在實驗進行過程中嚴禁除激光以外的光線干擾。另外在進行數據處理之前，通過 matlab軟件對圖像進行預處理，以進一步剔除掉背景噪聲。

2.2 結果對比分析

PIV技術獲得的閥門角度為30°時的速度云圖如圖3中(a)圖所示。從圖可知閥板尾流區(qū)形成較大分離區(qū)（低速區(qū)），這是流體在閥板背流面流動擴張及在彎管向心運動造成的逆壓力梯度引起的。此時，流體經過閥板迎流面與管道外側間喉部（最小通流面）后，由于喉部面積較小而速度較高，因而表現為高速（紅色）流體區(qū)域；但由于彎管外側對流動阻礙，此處高速流體與尾流區(qū)低速流體的混合及流體在彎管中的向心運動等原因，該股高速（紅色）流動區(qū)域的發(fā)展受到限制，表現為高速（紅色）區(qū)域面積很快消失。此時，經過閥板背流面與管道內側間喉部后，由于流動空間擴張較大及彎管內側流體質點的向心加速而形成較大的高速（紅色）區(qū)域；但進一步的流動擴張作用及其與周圍低速流體的混合，此處流體速度逐漸降低。另外，由于背流面對流體向彎管外側的引導，彎管內側流動分離現象較為顯著。通過與數值計算結果(b)比較可知，該角度下實驗測量和數值計算得到的速度云圖基本吻合。

圖3 中截面閥門角度為30°速度云圖對比

3 數值模擬結果分析

基于實驗測量得到的閥門角度為30°時中截面閥板附近的速度云圖很好地驗證了數值計算結果，本部分將數值計算得到的結果做進一步分析，以了解各工況（閥門角度為0°，15°及30°時）中存在的復雜流動現象。

本部分采用中截面速度矢量及云圖與五個剖面的速度矢量及云圖進行三維流場分析。各剖面位置示意圖如圖4所示，其中α=arctan0.2，Slice-2和Slice-4分別位于彎管垂直紙面的對稱面上，其它截面位置如圖4所示。另外，本部分借助中截面流線圖進行閥板周圍流動分離現象分析。

圖4 五個剖面位置示意圖

3.1 閥門角度為30°工況

結合流線圖與中截面速度及矢量圖可知，此時閥板背流面形成兩個流動分離區(qū)，第一分離區(qū)(L1)較大，這是因為來流攻角較大而產生了較強的逆壓力梯度；第一分離區(qū)的存在有助于引導流體質點在背流面中央到后緣的大范圍內緊貼背流面流動，因而造成第二分離區(qū)(L2)較?。煌瑫r，第二分離區(qū)的減小使閥板后緣扇形圓弧區(qū)的流動分離大大削弱。

圖5為閥門角度為30°中截面速度矢量及云圖與流線圖，圖6為閥門角度為30°各剖面速度矢量及云圖。綜合Slice-1與圖5可知，閥板迎流面與管道外側間流體由于向彎管內側擴張導致剖面圖上部流體速度矢量向下；下部流體質點以較高速向管道中間大面積擴張導致速度矢量向上，且該部分流體質點由于喉部通流面積較小因而速度較高，而喉部后通流面積擴張較大，而形成面積較大的高速區(qū)，這與上部分速度云圖中的結論一致。同時，由于下部流體通流面積擴張較大導致流體質點速度較低、動量較小，同上部流向相反的流團碰撞后，會向管道兩旁流動，因而形成一對低速漩渦（左側逆時針，右側時針），該低速流通同時與下部偏管道內側的高速流團發(fā)生流動剪切，并接受高速流團動量和流量“補給”，該低速流團也是蝶閥對流動阻礙作用的體現。

圖5 閥門角度為30°中截面速度矢量及云圖與流線圖

圖6 閥門角度為30°各剖面速度矢量及云圖

從Slice-2剖面圖可知，在下部低速流團碰撞剪切以及彎管對流體二次流的作用下，Slice-1中心線具有向下的速度矢量的上部流團消失，只存在向管道兩側的運動，如該剖面中部兩側的紅色高速區(qū)域所示；而在上部高速流團以及下部高速流團的碰撞剪切下，低速流團的漩渦核心向下運動并不斷縮?。煌瑫r可以看到，下側流團的高速區(qū)域僅僅表現在中心線兩側周圍區(qū)域，這是slice-1剖面中低速漩渦流團流動剪切反作用的結果。

從中截面速度矢量及云圖可知，Slice-2到Slice-3間管道內側與閥板背流面間的高速流團由于二次流作用向外側運動，同時在直管內側由于流動分離作用出現低速區(qū)域。

管道內側流動分離造成的低速區(qū)體現為Slice-3剖面下方速度矢量向上的的藍色區(qū)域，而從中截面矢量及云圖中表現為向管道外側及后方的速度矢量；該剖面中部兩旁存在高速區(qū)域，這與Slice-2中在該區(qū)域表現相同，但渦團核心位置有所下降，這是其二次流螺旋運動的結果。而Slice-2中心線上的高速流團（管道內側與閥板背流面間流體）由于流動擴張以及碰撞管道外側的能量損失（中截面矢量及云圖也可以看出），速度降低并向剖面左右兩側運動，其與剖面中部兩旁高速區(qū)域相混。

通過Slice-4剖面圖以及中截面速度-矢量剖面可知，由于Slice-3剖面圖左右兩側的高速流團二次流螺旋運動到此處與原其管道內側流體質點混合，共同在第二管道內側向心加速，形成Slice-4中下方的高速區(qū)域；而在高速區(qū)域上方存在一對低速流團，這是管道內側與閥板背流面間流團降速后二次流運動到此處的表現。

通過剖面圖Slice-5可知，由于第二個彎管內側的流動分離，剖面下部流體質點具有向上的速度矢量且大小較低；上部則是混合流體二次流作用的結果，且其速度高于下方。

3.2 閥門角度15°工況

圖7為閥門角度為15°中截面速度矢量及云圖與流線圖，圖8為閥門角度為15°各剖面速度矢量及云圖。閥門角度15°時，綜合中截面流線圖和速度矢量及云圖可知，閥板背流面上第一分離區(qū)(L1)變小而第二分離區(qū)增大，且后者表現為一對逆向渦團。第一分離區(qū)較小是由于來流攻角較小，流線型閥板對來流具有很好引導作用，因而產生較小的逆壓力梯度。第二分離區(qū)增大，則是由于第一分離區(qū)的存在以及彎管對流體質點向內側的引導，因而流線沿背流面運動至閥板中央附近即發(fā)生分離；之所以形成兩個渦團，這是因為閥板迎流面流體在閥板尾緣由于扇形圓弧存在導致流動向內側的擴張，產生新渦團，并與前述渦團相互作用。

由于閥板迎背流面流體流出閥板時向閥板側的擴張，因而在剖面圖Slice-1中上部速度矢量向下而下部向上，同時中部存由于閥板流動分離導致的低速區(qū)域。在該分離區(qū)的下方兩側存在一個微小渦團，這是閥板與管道間隙（見圖1中A-A向視圖，最小處僅為1mm）通過流體的表現，而在閥門角度30°時，由于閥板后緣造成的低速區(qū)域過大，該渦團與其混合表現的不是很明顯。通過剖面圖Slice-2可知，閥板后分離區(qū)造成的藍色（低速）區(qū)域由于分離區(qū)影響變弱而減小，剖面圖上方流體質點向上運動則是其向管道外側離心運動的表現，而向下運動則是由于管道內側流體質點向心的表現，而導致向心離心主要與該處壓力梯度及所需的向心力的大小有關[10]；同時可知，由于管道內側與閥板背流面間流體的擴張，剖面下部高速區(qū)域速度降低。

圖7 閥門角度為15°中截面速度矢量及云圖與流線圖

圖8 閥門角度為15°各剖面速度矢量及云圖

從中截面速度矢量及云圖可知，Slice-2到Slice-3間存在流體質點在管道內側的流動分離，其在Slice-3中表現為中部低速流團。而分離形成的藍色（低速）區(qū)域下方，則存在具有較高速度（大約12m/s）的流體質點，其是流體質點二次流的結果。同時由于分離區(qū)的擠壓，Slice-2上部的低速區(qū)域加速并在Slice-3中表現為速度較高的向上流團。而分離渦團兩旁則的高速流圖則是Slice-2中下部高速區(qū)域二次流運動到此處的表現。

在剖面圖 Slice-4中，由于管道內側向心作用而導致流體質點加速，中間偏上部流體質點的壓力梯度大于所需向心力，流體質點向管道內側運動并減速；上部則相反，速度矢量方向向上；可見由于彎管的存在，不同流體質點的速度，所處位置曲率以及壓力梯度的不同，導致徑向壓力梯度和所需向心力的不同，繼而引起不同的流動形態(tài)。

剖面圖Slice-4中的流體質點在剖面圖Slice-5中發(fā)展并表現為兩對渦團，這是二次流以及流動碰撞剪切的結果，上部速度弱微的提高也是下方分離區(qū)流體質點擠壓的表現。

3.3 閥門角度0°工況

圖9為閥門角度為0°中截面速度矢量及云圖與流線圖，圖10為閥門角度為0°下各剖面矢量圖。閥門角度為0°時，右側閥板與管道內側間存在一個明顯的分離區(qū)(L2)，且該分離區(qū)較??；這是閥板型線導致流動擴壓較為緩慢導致逆壓力梯度較小，但由于彎管對流體的向心作用加大了該處的逆壓力梯度，因而在右側閥板擴張段發(fā)生了微弱的流動分離。而左側閥板擴張段幾乎沒有發(fā)生分離，這是由于彎管存在導致該側流通面積變化不大，逆壓力梯度較小，因而流動分離不明顯。但左側閥板與管道外側間通過流體在閥板后緣由于圓弧存在導致突然的擴張，因而產生很小的渦團，并與右側渦團相互作用。

圖9 閥門角度為0°中截面速度矢量及云圖與流線圖

圖10 閥門角度為0°下各剖面矢量圖

閥門角度為0°時，剖面圖Slice-1速度矢量與15°時的不同之處在以下兩點：第一，流動低速區(qū)（閥板阻流形成低速區(qū)）更小，這是來流攻角減小的表現；第二，中心線下部存在向下的速度矢量，這是彎管內側向心作用較大的體現，15°時的微弱渦團在此時與低速區(qū)流團混合。其它同15°時。

剖面圖Slice-2中，由于彎管內側流體質點的向心作用，Slice-1中向下的速度矢量變?yōu)橄蛏?；同時由于與上下高速流團的混合，流動低速區(qū)面積減小，剖面上部和下部的速度降低。

從中截面速度矢量及云圖可以看出，由于第一彎管內側流動分離以及二次流，分離區(qū)下方速度均具有向上的分量，因而剖面圖Slice-3中截面速度均向上；而該剖面圖中存在兩對渦團，這是兩股流團二次流的表現，高速流團是右側閥板與管道內側間流體二次流的表現，而低速流團則是左側閥板與外側管道間流體二次流的表現。

剖面圖 Slice-4中速度矢量與閥門角度 15°時較為相似，此處不再贅言。而閥門角度0°時第二管道內側的流體速度相對較高，則是因為這是第一管道內側的流體在能量損失較小的情況下二次流運動到此處時，由于速度相對較高因而再次加速而獲得更高速度。

剖面圖 Slice-5中，由于第二管道內側流動分離，Slice-4中下部高速區(qū)域在Slice-5中上移，而在后者下部出現分離（低速）區(qū)域，并與上方高速區(qū)域混合而使其減速，這兩部分流團速度矢量均向上；同時，在整個剖面中心線上部，由于下部流體質點的擠壓，Slice-4中上部渦團核心繼續(xù)上移并加速；而Slice-4中下部渦團由于下方高速區(qū)域的流動碰撞擠壓而在Slice-5中消失，但Slice-5中心線上由于兩股流團流向相反，因而也會發(fā)生流動碰撞，并在Slice-5分離區(qū)兩旁形成一對不是很明顯的小渦團。

比較各閥門角度下中截流線圖可知，當閥門角度從30°變?yōu)?°時，前駐點(點p)的位置向閥板迎流面邊側移動。這與[9]中得到的結論是一致的。

通過以上三種角度的對比分析可知，閥板對流場的影響較大，隨閥板角度減小，閥板迎背流面的流體擴張也越不明顯，模型最大速度減?。婚y板前駐點逐漸向閥板迎流面邊側移動，一次分離區(qū)減小，而二次分離區(qū)先增大后減??；彎管中流體質點二次流、流動分離及流動剪切碰撞等是影響流場的重要因素。

4 結論

本文采用計算流體力學數值模擬方法，研究了閥門角度變化(0°、15°及30°)對蝶閥后雙彎管模型中復雜流動現象的影響，并將閥板角度為30°時的速度場云圖與實驗測量結果進行對比驗證。發(fā)現閥門角度對流場的影響較大，且隨閥門角度的減?。?/p>

1）第一個彎管內側的流動分離現象越不明顯，閥板迎背流面的流體擴張也越不明顯，模型最大速度減?。?/p>

2）閥板前駐點逐漸向閥板迎流面邊側移動，一次分離區(qū)減小，而二次分離區(qū)先增大后減小；

3）彎管中流體質點二次流運動、流動分離及流動剪切膨脹等是影響流場的重要因素。

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Numerical Study on the Influence of Valve Inclination Angle on Flow Field of Butterfly Valve Placed in a Dual-elbow Channel

HUI Wei,WANG Shao-fei
(Key Laboratory for Power Machinery and Engineering of Ministry of Education,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

By using computational fluid dynamics (CFD),the influence of different valve inclination angle on the complex flow phenomena is investigated in a butterfly valve placed in a dual-elbow channel model,and the velocity contour result is validated by experimental result.Numerical result fits better with data obtained by PIV.Valve inclination angle plays a significant role on the complex flow field.While it decreases,flow expansion in the upstream and downstream face become not obvious and the maximum velocity decreases.The front stagnation point moves gradually toward the upstream face edge.The first separation region decreases while the second one first increases and then decreases.In all,the second flow,flow separation and flow shear & collision are key factors in the complex flow formation.

computational fluid dynamics (CFD); elbow; butterfly valve; particle image velocimetry (PIV)

TP3

A

惠偉（1987-），男，碩士研究生。研究方向：閥門管道流動傳熱數值模擬。