何建慧，章永華

(臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 臺州 318000)

蝶閥內(nèi)部流動特性仿真分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化*

何建慧，章永華

(臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 臺州 318000)

以RANS方程為控制方程，采用標(biāo)準(zhǔn)的紊流模型和壓力耦合方程組的半隱式方法，比較分析相同流體壓強作用下不同類型閥板加強筋的圓管流動特征差異，對100%開度下加強筋上開設(shè)過流孔的流動變化進行研究；研究不同雷諾數(shù)下管內(nèi)壁粗糙單元對管路出口處流體質(zhì)量流量和管道內(nèi)部流場特性的影響。結(jié)果表明：在加強筋上開設(shè)過流孔極大增加流體流量，有效消除閥板表面漩渦，降低流動阻力；隨著雷諾數(shù)的增大，管路內(nèi)部流動經(jīng)歷層流到湍流的轉(zhuǎn)變，流動的不穩(wěn)定性增加，出口處流量也隨之增大，另外還發(fā)現(xiàn)由粗糙單元引起的擾動對管道內(nèi)流動阻力和流動轉(zhuǎn)捩有非常明顯的影響。

蝶閥；加強筋；流動特性；數(shù)值計算；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引 言

閥門是流體輸送系統(tǒng)中的控制部件，具有截止、調(diào)節(jié)、導(dǎo)流、防止逆流、穩(wěn)壓、分流或溢流泄壓等功能[1]。蝶閥作為常見的一種閥門，具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便等特點，適合于各種口徑管道, 得到了廣泛的應(yīng)用。

目前國內(nèi)外很多生產(chǎn)和銷售閥門的公司對閥門流道流動特性的研究尚未引起足夠的重視，在設(shè)計中基本上還是利用已有經(jīng)驗進行常規(guī)設(shè)計，只注重結(jié)構(gòu)而不大關(guān)心閥門及其流道的流動性能影響如流阻損失等，從而引起較大的能耗。基于上述實際情況，必須對管道流場進行深入研究，以作為閥門減阻、安全、降噪設(shè)計與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的參考。

21世紀(jì)以來，隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，發(fā)達國家已經(jīng)在閥門的研究與開發(fā)中運用計算流體動力學(xué)技術(shù)(CFD)進行設(shè)計方案的改進。目前，我國對蝶閥的研究主要集中在產(chǎn)品的機械制造及結(jié)構(gòu)形式等方面，從水力的角度對蝶閥內(nèi)部流場研究投入較少，使得蝶閥設(shè)計和使用處于半試驗狀態(tài)。主要研究成果包括：袁新明等人通過數(shù)值模擬研究了閥門的阻力特性，通過閥門閥道的體型優(yōu)化，尋求到阻力系數(shù)和過水?dāng)嗝孑^小、合理的閥道體型[2]；諸葛偉林等人對蝶閥的三維分離流動進行了數(shù)值模擬，得出蝶閥的流動阻力系數(shù)隨著蝶閥關(guān)閉角度的增大呈指數(shù)性增長的結(jié)論[3]；沈新榮等利用數(shù)值模擬和實驗等手段對不同開度下電動蝶閥的三維湍流流動進行了分析[4]；劉健等對不同開度情況下的大口徑蝶閥的三維流場結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值模擬[5]；劉華坪等利用動網(wǎng)格技術(shù)動態(tài)模擬了常見的幾種閥門管路中的流動狀態(tài)[6]；Huang等給出了蝶閥內(nèi)部的不可壓縮流動的三維速度場圖和應(yīng)力分布圖[7]；Lin[8]、黃國權(quán)[9]、馮衛(wèi)民[10]、宋學(xué)官[11]和韋應(yīng)發(fā)[12]等人在蝶閥研究中也做了相關(guān)的工作。

縱觀上述研究成果，大多數(shù)停留在研究閥門單一參數(shù)對流經(jīng)閥門流體特征影響的情況。對于其它影響閥門性能的重要參數(shù)(如：閥板結(jié)構(gòu)和管內(nèi)壁粗糙度等)變化下閥門的水力特性以及如何通過調(diào)整閥門結(jié)構(gòu)使流阻損失降低方面未作太多探討。

因此，分析蝶閥閥板結(jié)構(gòu)、管內(nèi)壁粗糙度等參數(shù)對蝶閥管道內(nèi)部流場特性的影響，定性給出閥門在不同雷諾數(shù)下管路出口處流體質(zhì)量流量以及閥門流道內(nèi)部渦流的形成、擴展和消耗的過程，反映出閥內(nèi)真實的流動情況，提高閥門的減阻性能和安全性，為降低流阻損失和進行閥門結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)是十分必要和有意義的工作。

1 蝶閥控制管路內(nèi)部流動分析

1.1 蝶閥的結(jié)構(gòu)

蝶閥的結(jié)構(gòu)主要包括閥體、閥板、閥桿和密封圈四部分。一般閥體呈圓筒形，閥板置于閥體內(nèi)，通過閥桿與連接并繞閥桿旋轉(zhuǎn)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度為0°時，閥板和密封圈一起阻擋液體流進閥門，閥門完全關(guān)閉；當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度為90°時，閥門則完全開啟，該旋轉(zhuǎn)角度又稱為閥門的開度，可控制介質(zhì)的流量。閥體通過雙頭螺栓連接在兩管道法蘭之間。

對于大口徑蝶閥，由于其在啟閉過程中，閥板受到較大的流體作用力易產(chǎn)生變形，極大影響工作可靠性和安全性，故往往在閥板背面(即來流后方)設(shè)置各種樣式的加強筋提高結(jié)構(gòu)強度。目前，企業(yè)采用的加強筋結(jié)構(gòu)主要為﹟形分布、◇形分布和//形分布三種。這三種加強筋結(jié)構(gòu)都能對閥板提供足夠的支撐力，但實際應(yīng)用時發(fā)現(xiàn)，相同結(jié)構(gòu)的同款蝶閥，由于采用不同的加強筋，導(dǎo)致其對介質(zhì)流量的影響存在差異，包括流動特性、流經(jīng)閥門的噪音等。

1.2 控制方程

使用不可壓縮流動的雷諾方程組與k-ε湍流模型構(gòu)成封閉的方程組來描述，如式(1)所示。

(1)

1.3 初始條件及取值

以蝶閥圓管內(nèi)流動為研究對象，圓管直徑為300mm，計算區(qū)域長度為5 000mm，入口離閥門模型距離為5倍圓管直徑，出口距離閥門模型12倍圓管直徑。利用四邊形網(wǎng)格對計算區(qū)域離散，對邊界和研究關(guān)注的部分進行網(wǎng)格局部加密，得到計算網(wǎng)格數(shù)273 130個。入口條件為速度入口，出口條件為壓力出口，其余均為壁面。

采用基于壓力的穩(wěn)態(tài)隱式求解器，標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，近壁面條件為標(biāo)準(zhǔn)壁面方程(StandardWallFunction)，梯度選項為基于格林-高斯單元體(Green-GaussCellBased)，壓力-速度耦合項用SIMPLE方式求解，而對流項則用二階迎風(fēng)格式離散。其它參數(shù)及取值如表1所列。

表1 仿真計算初始條件設(shè)置

2 計算結(jié)果分析

2.1 不同類型閥板加強筋的影響

圖1所示為相同計算條件下，蝶閥閥板在100%開度下受到流體作用形成的壓力場分布情況。

圖1 壓力分布情況

圖1中紅色區(qū)域為高壓區(qū)，藍(lán)色區(qū)域為低壓區(qū)。從結(jié)果可知，在閥板前端面，受到管道來流的影響，呈現(xiàn)較高壓力；而后端面則廣泛分布低壓區(qū)域。相對于加強筋﹟形分布和◇形分布閥板而言，//形分布閥板的流場壓力變化較為平緩，也就是說//形分布加強筋的閥板對流體的擾動較小，使得流經(jīng)閥門的流體動力水頭損失少，單位時間流體的流量比﹟形分布和◇形分布的要多。這一點在圖2中更能清楚顯示。

圖2為三種加強筋作用下流體經(jīng)過閥門形成的二維流線圖。//形分布的加強筋對流體流動特性的改變影響很小，流體經(jīng)過閥板后幾乎不改變流向保持原有流動特性；而◇形分布的加強筋迫使流體沿上下兩側(cè)運動，在流經(jīng)閥門時被擠壓，壓力在管道截面分布出現(xiàn)不均勻；尤其是﹟形分布，其中間區(qū)域形成較明顯的漩渦，加速圓管內(nèi)流體在低雷諾數(shù)下從平流向湍流的轉(zhuǎn)捩，對流經(jīng)閥門的流體流量的影響非常大，流動阻力顯著提升。

圖2 流線圖(Re=100)

2.2 過流孔的影響

早期研究表明閥板上呈#形分布的加強筋其結(jié)構(gòu)要比相同參數(shù)下//形和◇形分布的強度大。結(jié)合上述三種情況所形成的圓管流動特性，考慮在﹟形分布加強筋上沿流向開設(shè)圓形過流孔，在不過多削弱結(jié)構(gòu)強度前提下減少﹟形分布加強筋對流體的干擾作用。如圖3所示，通過比較可清楚看到增加過流孔可極大提高流量，流線圖顯示原有漩渦消失，流動變得平緩。

圖3 #形不帶過流孔和帶過流孔流場結(jié)構(gòu)比較

2.3 管道內(nèi)壁粗糙單元結(jié)構(gòu)對內(nèi)流場的影響

蝶閥管道中的壁面粗糙度是影響管道內(nèi)液體流動特性的一個重要因素，由粗糙度引起的流體擾動對管道內(nèi)的流動具有重要影響。利用梯形、矩形和三角形粗糙單元來模擬實際管道中的粗糙度分布，如圖4所示。得到粗糙管道內(nèi)的流動阻力特性和流場結(jié)構(gòu)，研究和分析不同雷諾數(shù)下粗糙單元引起的擾動對管道內(nèi)流體流量和流動轉(zhuǎn)捩的影響。

圖4 管道中粗糙單元結(jié)構(gòu)形態(tài)

流體質(zhì)量流量定義如式(2)：

(2)

式中:ρ為流體密度;v為流速;A為管路面積。

分析了四種雷諾數(shù)下(Re=300、3000、30000和300000)管道出口處流體質(zhì)量流量的變化情況，其結(jié)果如圖5所示。圖5(a)～(c)分別為梯形粗糙單元、矩形粗糙單元以及三角形粗糙單元下蝶閥管道出口處流體質(zhì)量流量隨雷諾數(shù)的變化曲線，橫坐標(biāo)采用對數(shù)坐標(biāo)系。

圖5 不同粗糙單元引起管道出口處流體質(zhì)量流量隨Re變化情況

由結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)：不管何種粗糙單元，隨著雷諾數(shù)的增大，出口處流體質(zhì)量流量均隨之增大(負(fù)號表示流體流向與規(guī)定的坐標(biāo)系正向相反)。

給出不同粗糙單元引起圓管出口處流體質(zhì)量流量隨Re變化情況比較分析，如圖6所示。圖6 (a)為梯形粗糙單元與矩形粗糙單元比較情況，縱軸顯示梯形粗糙單元圓管出口處流體質(zhì)量流量與矩形粗糙單元圓管出口處流體質(zhì)量流量之差值；圖6 (b)為三角形粗糙單元與矩形粗糙單元比較情況。總體而言，相同雷諾數(shù)下，矩形粗糙單元的出口處流體質(zhì)量流量要比其他兩種情況小。該差異隨著雷諾數(shù)的增大呈現(xiàn)增大趨勢，但在中間出現(xiàn)小幅波動，如雷諾數(shù)為3 000時這種差異要比雷諾數(shù)為30 000時大。該差異可能是不同粗糙單元閥門管道內(nèi)部的渦量場的結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致的。

圖6 不同粗糙單元引起圓管出口處流體質(zhì)量流量隨Re變化情況比較分析

以梯形粗糙單元為例，給出了閥門流道內(nèi)部的二維切面上渦量場隨雷諾數(shù)的變化情況，在計算范圍內(nèi)，當(dāng)流體雷諾數(shù)為300時，管道內(nèi)就已經(jīng)出現(xiàn)較明顯的卡門漩渦，旋向相反的渦街交替出現(xiàn)，強度隨著雷諾數(shù)的增加而增大；隨著雷諾數(shù)進一步增大，管內(nèi)渦量強度在粗糙單元附近要比管道內(nèi)其他地方大很多，且卡門漩渦結(jié)構(gòu)也逐漸變得不明顯，該結(jié)果說明圓管內(nèi)表面粗糙單元引起的擾動對管道內(nèi)流動轉(zhuǎn)捩有非常明顯的影響。

3 結(jié) 論

基于流體動力學(xué)原理分析不同類型加強筋以及在﹟形分布的加強筋上開設(shè)過流孔對管內(nèi)流動特性的影響；給出不同雷諾數(shù)下管內(nèi)壁梯形、矩形和三角形粗糙單元對管道出口處流體質(zhì)量流量的改變情況，并從渦街結(jié)構(gòu)和強度等角度對原因進行解釋。得出如下結(jié)論。

(1) 相同條件下，加強筋//形分布的閥板流場壓力變化較為平緩，即//形分布對流體的擾動較小，流經(jīng)閥門的流體動力水頭損失少，單位時間流體的流量比﹟形分布和◇形分布要多。

(2) 開設(shè)過流孔不僅可以極大提高流量，流動變得平緩，而且對閥板結(jié)構(gòu)強度的影響不太大。

(3) 不管何種粗糙單元，隨著雷諾數(shù)增大，出口處流體質(zhì)量流量均隨之增大；相同雷諾數(shù)下，矩形粗糙單元的出口處流體質(zhì)量流量比其他兩種情況小。

綜上所述，綜合考慮閥門結(jié)構(gòu)強度和對內(nèi)部流體流動特性的影響，蝶閥宜采用帶有過流孔﹟形分布加強筋的閥板。今后需深入考慮過流孔的尺寸、分布方式和形態(tài)等參數(shù)以及管道內(nèi)壁其他因素對內(nèi)部流動的影響。

[1] 吳 石,張文平.閥門流場的數(shù)值模擬及流噪聲的實驗研究[J].閥門, 2005(1): 7-10.

[2] 袁新明,毛根海,張土喬.閥門流道流場的數(shù)值模擬及阻力特性研究[J].水力發(fā)電學(xué)報, 1999(4): 60-66.

[3] 諸葛偉林,劉光臨,蔣 勁,等.蝶閥三維分離流動的數(shù)值模擬研究[J].流體機械, 2003, 31(6): 14-16.

[4] 沈新榮,李江莉,李增珍,等.一種新型電動蝶閥調(diào)節(jié)特性的數(shù)值計算及實驗研究[J].液壓與氣動, 2006(5): 47-49.

[5] 劉 健,李福堂.大口徑蝶閥三維流動的數(shù)值模擬及分析[J].流體機械, 2008, 36(9): 30-32.

[6] 劉華坪, 陳 浮,馬 波.基于動網(wǎng)格與UDF技術(shù)的閥門流場數(shù)值模擬[J].汽輪機技術(shù), 2008, 50(2): 106-108.

[7] Huang C D, Kim R H.Three-Dimensional Analysis of Partially Open Butterfly Valve Flows[J]. Transactions of the ASME, 1996, 118: 562-568.

[8] Lin F, Schohl G A. CFD Prediction and Validation of Butterfly Valve Hydrodynamic Force[C]. World Water Congress, 2004.

[9] 黃國權(quán), 曹仲武.中心型蝶閥流場的數(shù)值模擬研究[J].機械設(shè)計與制造, 2011(7): 186-188.

[10] 馮衛(wèi)民,肖光宇,袁 波,等.基于數(shù)值仿真的蝶閥性能對比分析[J].排灌機械工程學(xué)報, 2010, 28(4): 315-319.

[11] 宋學(xué)官,汪 林, 姜正浩, 等.蝶閥流動特性的數(shù)值模擬及分析[J].流體機械, 2008, 36(5): 25-29.

[12] 韋應(yīng)發(fā),陳秀維.水電站蝶閥的三維流動仿真計算[J].電站系統(tǒng)工程, 2009, 25(3): 27-28.

Numerical Research on Internal Flow Characteristics Analysis and Structural Optimization for Butterfly Valve

HE Jian-hui， ZHANG Yong-hua

(TaizhouVocational&TechnicalCollege,TaizhouZhejiang318000,China)

By taking the advantage of Computational Fluid Dynamics (CFD), RANS equations, standard k-ε turbulence model and semi implicit method for pressure coupling equations are used to analyze the pipe flow characteristics with different types of reinforcing rib under the same fluid pressure. Then a further analysis was taken to illustrate the influence of holes in the reinforcing rib on the flow. Meanwhile, the influence of the pipe inner surface roughness of butterfly valve pipe on internal flow field characteristics was carried out under different Reynolds number. The results indicate that the holes in the reinforcing rib can observably increase the flow of fluid and effectively eliminate vortex around valve plate surface and reduce the flow resistance. With the increase of Reynolds number, the internal flow of pipe changes from laminar to turbulent, the instability of flow increases, the outlet flow rate is also getting higher. It is also found that disturbance caused by rough unit has a very significant impact on the pipe flow resistance and flow transition.

butterfly valve; reinforcing rib; flow characteristic; numerical simulation；structure optimization

2014-03-20

浙江省教育廳課題資助 (編號：Y201329346)

何建慧(198-)，女，浙江臺州人，講師，碩士，主要從事機電一體化技術(shù)方面的研究工作。

TP391.9

A

1007-4414(2014)02-0004-04