基于FLUENT的三偏心蝶閥數(shù)值仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

霍增輝， 董 成， 俞經(jīng)虎*， 劉建新， 韋一心

(1.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 無錫 214122； 2.無錫斯考爾自動控制設(shè)備有限公司， 江蘇 無錫 214028)

閥桿軸心同時偏離碟板中心及閥體中心，且閥座回轉(zhuǎn)軸線與閥體通道軸線呈一定角度的閥稱為三偏心蝶閥。其適用于各種不同的工況，既可以用于低壓差的調(diào)節(jié)場合，也適于開關(guān)和嚴(yán)密切斷流體的場合。目前學(xué)者就三偏心蝶閥的3個偏心值對流通性能的影響作了一些研究：何慶中等[1]利用動網(wǎng)格技術(shù)及用戶自定義函數(shù)對三偏心蝶閥開啟過程中出現(xiàn)的渦街現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了開啟后不同時刻下的渦流速度和渦流長度；劉惺等[2]分析出了三偏心蝶閥的內(nèi)部流場變化規(guī)律以及不同關(guān)閥速度對蝶板的動水壓強(qiáng)的變化規(guī)律。為了提高蝶閥的流通性能，課題組應(yīng)用ANSYS軟件對蝶閥內(nèi)部進(jìn)行了流場模擬，通過改變3個偏心值對流量系數(shù)和流阻系數(shù)進(jìn)行對比分析，采用正交試驗(yàn)找到了最優(yōu)解，為三偏心蝶閥的設(shè)計(jì)提供思路。

1 閥門內(nèi)部流場模擬

1.1 三偏心蝶閥模型建立及網(wǎng)格劃分

課題組運(yùn)用三維建模軟件Ug建立三偏心蝶閥的模型。三偏心蝶閥具有密封面偏離軸中心線(軸向偏心a)、軸中心線偏離閥體和閥板的幾何中心(徑向偏心b)、密封面的錐面軸線偏離于閥板幾何中心(角偏心φ)的特點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)簡圖及三維模型Figure 1 Structure diagram and 3D model of tri-eccentric butterfly valve

為了保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，以8倍的蝶閥直徑作為入口段的長度，10倍的蝶閥直徑作為出口段的長度[3]，將模型保存為step通用格式導(dǎo)入ANSYS。為了簡化模型，對蝶閥流場進(jìn)行定常流動以及不可壓縮流動分析[4]。為了使計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際情況，流道模型分為3個部分：入口部分、閥體部分、出口部分。蝶閥計(jì)算模型如圖2(a)所示。運(yùn)用ANSYS軟件對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了獲得更多的高質(zhì)量網(wǎng)格，對流體模型進(jìn)行了簡化，采用四面體網(wǎng)格對三偏心蝶閥流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，正交性質(zhì)量0.1以上；平均網(wǎng)格質(zhì)量越高越好，相鄰網(wǎng)格之間網(wǎng)格大小不能太大，保證網(wǎng)格平滑過度[5]。對閥板周圍、閥座周圍的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理，通過網(wǎng)格修復(fù)手段刪除質(zhì)量低于0.3以下的網(wǎng)格，提高網(wǎng)格質(zhì)量?？傆?jì)劃分了1 103 307個單元，模型的節(jié)點(diǎn)為228 746個左右，如圖2(b)所示。設(shè)置單元格區(qū)域?yàn)樗吔鐥l件為速度入口3.72 m/s，溫度為15.5 ℃，壓力出口0 Pa(1個大氣壓)。計(jì)算分析時，保證管道內(nèi)流動處于紊流狀態(tài)，管內(nèi)流動為湍流(Re大于2 300)，設(shè)置計(jì)算模型為標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型[6-7]。

圖2 三偏心蝶閥計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分Figure 2 Calculation model and mesh generation of tri-eccentric butterfly valve

1.2 數(shù)值模擬分析結(jié)果

課題組截取了通過流道中心并且垂直于旋轉(zhuǎn)軸的平面，比較平面內(nèi)閥門不同開度下的壓力分布云圖，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同開度下閥門的壓力分布云圖Figure 3 Pressure distribution nephogram of valve under different opening degrees

從圖3中可以看出，蝶閥開度超過40°時，由于蝶閥結(jié)構(gòu)的徑向偏心，上半部分開口程度大于下半部分，其流通面積較大，壓力主要分布在蝶板背面的下半部分，蝶板上半部分壓力小于下半部分；在40°～80°時這種壓力差較為明顯，蝶板存在開啟方向上的動水力矩也是因此而產(chǎn)生的。閥門在開度小于40°時蝶閥前后的壓力差變化較大，開度大于40°時前后壓力差變化較小。

圖4 不同開度下閥門的速度流線圖Figure 4 Velocity streamline diagram of valve under different opening degrees

蝶閥的速度流線圖如圖4所示。從圖4中可以看出流體在閥板附近流場較為復(fù)雜，在蝶閥開啟的過程中，因較大的壓差導(dǎo)致流體的速度驟然變大，產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流。該渦流狀態(tài)即為渦街現(xiàn)象，從蝶閥開啟時到40°時比較明顯，而且渦街現(xiàn)象較為強(qiáng)烈；隨著開啟角度的不斷增大渦街現(xiàn)象逐漸減弱直至消失。隨著開度的增大，閥板附近流體的速度趨向平緩。

1.3 流動特性參數(shù)

流量系數(shù)Cv和流阻系數(shù)x是閥門的代表性參數(shù)。流量系數(shù)Cv的計(jì)算公式為

(1)

式中：q為水流量，m3/h；ρ為水的密度，kg/m3；Δp為流經(jīng)閥門的壓力損失，Pa。

當(dāng)介質(zhì)流經(jīng)閥體時，如果蝶閥的流阻系數(shù)較小，將有利于水流的通過，其流體阻力損失以閥門前后的流體壓力降表示[8]。流阻系數(shù)x為

(2)

式中：x為閥門的流阻系數(shù)；Δp為流經(jīng)閥門的壓力損失，Pa；ρ為介質(zhì)密度，kg/m3；v為流速，m/s。

1.4 閥門流量特性

由CFD分析得到的結(jié)果，經(jīng)計(jì)算后可得到三偏心硬密封蝶閥在不同開度下的流量系數(shù)和流阻系數(shù)。利用Origin軟件繪制出流量特性曲線，如圖5所示。

圖5 不同開度下閥門的流量系數(shù)和流阻系數(shù)Figure 5 Flow coefficient and flow resistance coefficient of valve with different opening

由圖5可以看出，開度在80°以內(nèi)時，流量系數(shù)隨著開度的增大而增大，在10°～40°時增大的幅度比較小，而在40°～80°時增大的幅度比較大，在80°到全開時Cv值基本不變。隨著蝶閥開度的增大，蝶閥的流阻系數(shù)逐漸變小，在開度超過70°后流阻系數(shù)基本保持不變；蝶閥在40°開度下的流阻系數(shù)為13.428，而全開時的流阻系數(shù)為1.691，前者約是后者的8倍。

2 三偏心蝶閥各偏心值對流通能力的影響

三偏心硬密封蝶閥蝶板在開啟和關(guān)閉過程中是否與閥體產(chǎn)生干涉受軸向偏心和徑向偏心值的影響；角度偏心確保了蝶閥密封副為面接觸，并經(jīng)過密封副的擠壓變形來隔絕流體介質(zhì)的泄漏[9]，因此蝶閥3個偏心值的確定對蝶閥的流通能力會產(chǎn)生一定的影響。改變各偏心值以蝶閥開度40°時對比分析蝶閥3個偏心值對于流量系數(shù)和流阻系數(shù)的影響，結(jié)果如圖6所示。

圖6 3個偏心值與流量系數(shù)和流阻系數(shù)之間的關(guān)系Figure 6 Relationship between three eccentricity values and flow coefficient and flow resistance coefficient

由圖6(a)中可以看出，當(dāng)軸向偏心距發(fā)生變化時，流量系數(shù)和流阻系數(shù)變化較小，流量系數(shù)的最大變化范圍為823.36～823.86；流阻系數(shù)的最大變化范圍為13.358～13.778，可見軸向偏心值對流量系數(shù)和流阻系數(shù)的影響較小。從圖6(b)中可以看出，隨著徑向偏心距的增大流量系數(shù)先減小后增大再減小，徑向偏心距在10～16 mm時對流量系數(shù)影響較大；流阻系數(shù)在10～14 mm、16～20 mm時大致呈線性增加，14～16 mm時略微降低。從圖6(c)中可以看出，隨著偏心角的增大流量系數(shù)先增大后減小，偏心角5°時最大，其值為822.773；流阻系數(shù)總體呈上升趨勢，可見偏心角不宜過大。綜上可知，軸向偏心對于蝶閥的流通性能影響較小，徑向偏心和角偏心對蝶閥的流通性能影響較大。

3 三偏心蝶閥3個偏心值優(yōu)化的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是研究多因素多水平的又一種設(shè)計(jì)方法，它是根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，這些有代表性的點(diǎn)具備了“均勻分散，齊整可比”的特點(diǎn)，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是分式析因設(shè)計(jì)的主要方法，也是一種高效率、快速和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[10]。

3.1 確定正交試驗(yàn)的因素與水平

三偏心蝶閥的3個偏心值作為正交試驗(yàn)的3個因素，以三偏心蝶閥的流量系數(shù)和流阻系數(shù)作為正交試驗(yàn)的性能指標(biāo)。以蝶閥的軸向偏心值a=48 mm，徑向偏心值b=14 mm，偏心角φ=5.5°作為設(shè)計(jì)值，選取4個水平，其正交試驗(yàn)因素的水平表如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

3.2 正交試驗(yàn)方案組合及分析

依據(jù)上述的正交試驗(yàn)因素水平表，列出了蝶閥的正交試驗(yàn)方案組合；利用上述部分三偏心蝶閥的數(shù)值模擬方法，計(jì)算得到每個方案組合的流量系數(shù)和流阻系數(shù)。試驗(yàn)方案組合和指標(biāo)如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)方案組合及計(jì)算結(jié)果

表3 流量系數(shù)極差分析表

表4 流阻系數(shù)極差分析表

將優(yōu)化前后的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行對比，如表5所示。從表5可以得出優(yōu)化后流量系數(shù)比原來增加了2.7%，流阻系數(shù)比原來降低了11.6%。

表5 優(yōu)化前后的參數(shù)對比

4 結(jié)論

1) 課題組應(yīng)用ANSYS軟件對三偏心硬密封蝶閥進(jìn)行了流場模擬，獲得了不同開度下蝶閥內(nèi)部的速度、壓力流場分布；通過計(jì)算獲得了蝶閥的流量系數(shù)和流阻系數(shù)，最后得出了蝶閥的流量特性曲線。

2) 課題組就三偏心硬密封蝶閥3個偏心值對蝶閥流通性能的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明軸向偏心對流通性能影響較小，徑向偏心和角偏心對流通性能影響較大。通過正交試驗(yàn)法優(yōu)化了蝶閥的3個偏心值，增大了蝶閥的流量系數(shù)，降低了蝶閥的流阻系數(shù)，提高了蝶閥的流通性能。