三偏心蝶阀流场数值模拟与流量特性分析

江鑫 韩欣霖 韩昱

江苏苏盐阀门机械有限公司 江苏 滨海 224500

引言

天然气作为一种绿色环保能源，相较于传统煤炭能源，在经济性以及用途的广泛性上有着许多的优势[1]。现如今天然气市场在我国已经进入了快速发展阶段，又由于其储量丰富，未来将会成为最主要的发电能源。为了方便运输和储存，天然气常被压缩成低温液体的状态[2]。由于液态下天然气的温度达到零下162℃，为了预防低温环境中的各种隐患，对于超低温介质的运输就必须用到专用的低温阀门[3]。蝶阀作为一种简单的调节阀，也属于阀门的一种。圆盘形的蝶板与阀杆固定，靠阀杆的转动带动其在管道内旋转0°～90°，起到调节流量和截断介质的作用。随着技术的发展，蝶阀由最初的同心蝶阀发展成现如今的单偏心、双偏心和三偏心蝶阀等多种类型[4]。

目前，有许多学者对三偏心蝶阀的流通性能做了较为深入的研究。常学森等[5]利用仿真软件和测试试验分别测得DN200三偏心调节蝶阀不同开度下的流阻系数，数据结果具有良好的一致性。刘惺等[6]把FLUENT动网格和UDF相结合，分析出三偏心蝶阀内部流场变化规律以及开阀速度对蝶板动水压强的影响。霍增辉等人[7]分析了三偏心蝶阀的三个偏心值对流量和流阻稀疏的影响，并通过正交试验的方法，获得最优的偏心值组合方案。

本文以某公司生产的超低温上装式三偏心蝶阀为研究对象，应用计算流体力学软件对其在阀门开启过程中的内部流场和流动特性进行分析，得到了不同开度下蝶阀内部压力和速度的变化规律，并通过计算获得了三偏心蝶阀的流量系数的流阻系数，分析结果可以为三偏心蝶阀的优化设计提供理论参考。

1 数学模型

1.1 物理模型

三偏心蝶阀的工作原理如图1所示，阀杆中心偏离阀板中心（轴向偏心c），阀杆中心偏离管道中心（径向偏心e），蝶板锥面轴线偏离管道轴线（角度偏心β）。这种独特的设计使得三偏心蝶阀在开启和关闭时，蝶板与阀座密封面之间没有摩擦，从而更加的省力。当阀门关闭时，增大的传动力矩可以提供一个补偿密封，从而增加了三偏心蝶阀的密封性能，同时也很大程度上延长了使用寿命。

图1 三偏心蝶阀结构简图

为了保证数值模拟结果的准确性，需要对蝶板模型进行合理的简化。去除一些会影响网格质量但对于仿真计算结果影响不大的细小特征，比如倒角、螺栓孔、凹槽等。为了使数值模拟更加的贴合实际，流道入口段取5倍的蝶板直径长度，出口段取10倍的蝶板直径长度，流动区域足够长才能保证流场的稳定性以及计算结果的准确性。流动域模型如图2所示，模型分为三部分：入口部分、阀体部分、出口部分。

图2 流动域模型

1.2 网格划分

考虑到阀门开度较小时蝶板与管道之间存在狭窄缝隙，以及蝶板附近流动区域的不规则性，本文采取分区划分网格的方法，阀体部分采用四面体网格划分的方法，并对蝶板周围区域进行网格细化和加密处理；入口部分和出口部分采用六面体结构化网格划分的方法。流道网格如图3所示，网格节点数为1031507，网格单元数为1723199。

图3 流道网格示意图

1.3 数值计算方法及边界条件

将画好的网格文件导入到计算流体力学软件中，先检验最小网格体积必须大于0。湍流模型采用标准k-e模型，近壁面采用标准壁面函数wall处理。流体介质为液化天然气，密度为450kg/m3。进口边界定义为速度入口（2m/s），出口边界定义为自由流出。本文模型采用稳态计算和SIMPLE算法。

2 蝶阀流场仿真分析

2.1 阀门开度对速度场的影响

阀门开启的过程是蝶板从0°到90°的旋转运动，为了简化分析，本文选取蝶阀开度为20°、40°、60°、80°4组不同开度下的仿真结果进行分析。图4为阀门在不同开度下YOZ截面上的速度云图。

图4 不同开度下蝶阀YOZ截面速度云图

当阀门开度为20°时，流道内流体流速整体较低，阀板背部以及出口段通道内还存在部分无流通区域。当阀门开度为40°时，流速明显加快，仅阀板附近有速度为0的区域，管道内无流通区域消失，并且阀板与管壁之间的缝隙区域出现两个上、下两个高速射流区，上部高速射流区面积较大。当阀门开度为60°时，入口流道和出口流道流速达到稳定，两个高速射流区域面积进一步扩大，但是局部最高流速却明显降低。当阀门开度为80°时，高速射流区域逐渐消失，流道内流速逐渐稳定，但阀门上部还存在局部高速区域。

2.2 阀门开度对压力场的影响

图5为阀门在不同开度下YOZ截面上的压力云图。

图5 不同开度下蝶阀YOZ截面压力云图

当阀门开度从20°到40°时，由于阀门开度较小，大部分流体被阀板堵塞不能通过，造成阀门前后压差较大，并且在阀门背部出现明显的负压区域。当阀门开度为60°时，大部分流体开始通过阀门，阀门前后压差明显减低，阀门背部还存在负压区域，但是最低负压值明显升高，阀板上部左侧由于受到介质冲击出现局部高压区域。当阀门开度为80°时，阀门已经接近全开的状态，管道内压力整体分布均匀，阀板背部负压区域明显变小，阀门上部左侧依然存在局部高压区域。

为了更加直观的体现阀门开启过程中进出口压差的变化规律，图6为阀门开度与进出口压差的关系曲线。从图中可以看出，随着阀门开度的逐渐增大，压降逐渐减低，且下降速率逐渐降低。在小于50°临界值时，压降下降速度较快，当大于50°时，压降下降速率变换，数值趋于稳定。

图6 压降与蝶阀开度的关系曲线

3 蝶阀流量特性分析

流量系数作为工业阀门中的重要指标，是指单位时间内，阀门流道内介质通过阀门的体积流量，该指标反应的是阀门的流通性能。流量系数越大说明阀门的流通性能越强。蝶阀的流量系数经验计算公式如下：

式中：KV为流量系数，（m2）；Q为体积流量，（m3/h）；ρ为流体介质密度，（kg/m3）；ΔP为阀门前后压降，（Pa）；D为管道直径，（m）；V为流体介质速度，（m/s）。

从数值仿真结果中提取不同开度下的压差数据，代入公式计算得到蝶阀的流量参数。阀门流量特性一般指阀门相对流量参数与其相对开度之间的关系，因此将多得到的结果需要做进一步转化，最终数据结果如表1所示。

表1 三偏心蝶阀的流量系数

根据上表得到的数据，绘制出蝶阀的流量特性曲线如图7所示。

图7 蝶阀流量特性曲线

通过观察上图流量特性曲线，可以看出本文所研究三偏心蝶阀工作流量特性为近似等百分比流量特性。当阀门相对开度小于50%时，阀门相对流量系数较小，而且增长幅度也不大，在这个区间开度内蝶阀几乎没有起到调节流量的作用。当阀门相对开度大于50%时，相对系数增大趋势较为明显，在这个区间开度内，阀门才开始发挥调节流量的作用。

4 结束语

通过对三偏心蝶阀在不同开度下的流场可视化结果进行分析，得到了阀门在开启过程中流场压力和速度分布的变化规律。通过进出口压差与阀门开度的关系曲线，发现压差随着阀门开度的逐渐增大而减小。

结合仿真模拟和经验公式，得到三偏心蝶阀的流量特性曲线，为近似等百分比流量调节特性。三偏心蝶阀在相对开度大50%时，发挥流量调节能力，在相对开度低于50%时，没有调节能力。