1 概述

    传统的阀门设计方法主要依据建立在一元流理论基础上的半经验公式与工程设计手册和图表，其中的各种经验常数和修正系数是通过大量试验获取的。传统方法的优点是简便可靠，缺点是适用范围受资料来源的限制。阀门类产品种类繁多，改型也较容易，随着工程技术的迅速发展，新的品种、新的设计在不断推出。然而，用传统方法建立一套作为设计依据的参考资料需要大量试验数据，投入高，周期长。因此，大多数情况下，在设计新产品时，设计人员只能参照以往几种常规品种的资料，凭经验进行推测。以蝶阀为例，在现有的设计手册等参考资料上提供的只有传统的对称蝶阀的数据，很难找到偏心蝶阀的相关资料。这给设计工作带来很大困难，限制了产品质量的提高。计算流体力学（CFD）方法以其强大的数值模拟功能为解决这一问题提供了新途径。

    2 计算流体力学方法

    通过数值模拟不但能取得产品设计所需的流动特性参数，而且还可以掌握流场内部的详细情况，如压力、速度和温度分布、流动分离状态及气蚀可能发生的部位等。与实验方法相比，CFD数值模拟具有成本低、周期短和提供信息充分等优势。CFD方法及其应用软件早已在飞机和汽轮机等高技术产品的设计中广泛应用，说明其模拟的精确度与可靠性完全能满足工程设计的要求。工业发达国家的发展趋势显示，对于阀门和其他流体机械产品的设计工作都将以计算机数值模拟为主，实验测试为辅的方式进行。

    本文运用CFD应用软件FLUENT对一种偏心蝶阀的三维流动特性进行了数值模拟。通过对一系列开度下的各种工况的模拟得到了该蝶阀的水力特性曲线，并直观地显示出各种状态下阀门通道内部的速度压力分布和旋涡分布情况，由此进一步分析该蝶阀的特性。

    3 阀门管道结构和计算方法

    3.1 控制方程

    将蝶阀内部流动介质设定为水，则流动模型为不可压缩三维粘性流动，可以用不可压缩流动的雷诺时均方程组与k-ε湍流模型构成封闭的方程组来求解。

    （1）连续性方程

    （2）动量方程组

    （3）湍流动能是的输运方程

    （4）湍流耗散率ε的输运方程

    其中

    方程中各常数值可查表求得。σ_k= 1.0，σ_ε=1.3，c₁= 1.44，c₂= 1.92，c_μ= 0.09。

    3.2 阀门通道结构及边界条件

    以单偏心蝶板在45°开度下的情况为例。取蝶阀前后一段管道作为模拟计算的求解域，（图1）。

    该管道通径为400mm，阀体前的长度为800mm，阀体后的长度为1600mm，取阀体后长度较长是由于管道内流体流动在阀体后比较复杂。

    3.3 网格划分

    网格划分采用了非结构化网格。运用FLU-ENT软件包中的前处理软件GAMBIT强大的网格划分功能，保证了网格的质量。为了提高求解精度，将蝶板和密封圈周围的网格局部加密，网格总数达60万左右（图2）。

    4 蝶阀流道的流场特性

    4.1 流量特性曲线

    蝶阀流量特性曲线如图3和图4所示。其中运用Fluent软件计算的普通蝶阀（轴位不偏移）的流量曲线与相关资料提供的普通蝶阀的流量特性曲线相似，说明计算结果可用。

    根据计算结果分析，该偏心蝶阀的流量随着进出口压差的变化趋势与普通蝶阀一致。但在相同压差条件下，偏心蝶阀的流量比普通蝶阀的流量要小一些。因为，蝶阀偏转后，普通蝶阀蝶板离上下管壁距离相等，而单偏心蝶阀蝶板离上管壁距离较下管壁大，造成上下压力与流通面积都与普通蝶阀不等，从而加强了阀后的旋涡流动， 因而其流量要比不偏心时的要小一些。

    4.2 水动力矩特性曲线

    偏心蝶阀水动力矩特性曲线如图5所示。由图可见，水动力矩随压差的增大而增大，压降-水动力矩特性显示了极好的线性度，压降与水动力矩关系可表示为

    M=CΔP

    式中：
    M－－水动力矩，N·m 
    ΔP－－压降，MPa
    C－－与开度相关的常数

    这与普通蝶阀流体动力扭矩的经验公式的规律一致。经验公式为

    T=KΔPD³d² （α≤60°）

    式中：
    T－－扭矩.N·rn
    K－－系数
    D－－蝶板直径，mm
    α－－从关闭位置计算的转角，（°）

    4.3 阀门流道内流场分布

    以蝶板开度为45°，进口总压为0.3MPa的情况为例，对阀门管道内部的流动特性分布情况等进行分析说明。

    图6（a）和（b）分别是对称截面，即X-Z坐标平面的速度和压力分布等值线图。图上显示通道进口和出口处的速度和压力分布较均匀，并且速度较低。在6_~7m/s附近，水流在接近蝶板前端时速度逐步滞止，压力升到。绕过端部到蝶板背侧时迅速加速，局部地区速度值达到20_~28m/s，压力随之下降形成低压区。蝶板前后压差很大，流道的压降基本上都用于克服蝶阀前后的压差阻力。

    图7（a）为X-Z截面的流线图， 由于流动上下对称（略去重力影响），此截面是个流面。在中等开度时，此面上没有回流产生，流体主要是通过蝶板与管壁相距较大的一侧流向下游。图7（b）为Y-Z截面流线图，从图中可以看出，水流绕过蝶板边缘后发生分离，在对称面的上、下方形成两个相似的分离涡区。分离区是压力较均匀的低压区，流体的机械能主要被这些旋涡消耗。旋涡在往下游发展的过程逐渐减弱，流动逐步趋向均匀。

    4.4 不同开度下的特性曲线

    图8为由数值计算得到的偏心蝶阀在不同开度下的流量特性曲线。在对数坐标中，不同开度下的每条流量特性曲线都是直线，而且相互接近平行。这个特性和文献[3]所提供的普通蝶阀的特性相一致。

    图9为偏心蝶阀在不同开度下的水动力矩特性曲线。该曲线显示，各个开度下的水动力矩与压降都成很好的线性关系。对于≤75°的各种开度，水动力矩都为正值，蝶阀开度越大，水动力矩也越大。但开度为90°时，水动力矩为负值，这是偏心阀的特有现象。如图10所示，来流速度在阀的上游端部的一侧滞止，形成局部高压区，与端部另一侧的低压构成很强的扭转力矩。在大多数开度下，速度滞止点在阀的内侧（凹面）， 但接近90°时，转移到阀的背侧（凸面），从而引起转动力矩反向。可见，水动力矩应在75°~90°间某一开度达到，然后下降为负值。

    5 结语

    通过运用计算流体力学（CFD）方法对偏心蝶阀的水力特性进行数值模拟计算，得到偏心蝶阀的特性曲线以及阀门通道内三维流动的详细情况，显示了CFD方法用于阀门设计的可行性。CFD的优势尤其表现在新产品的研制开发中，它不但能大幅度取代常规实验提供各种流动特性参数，而且能通过揭示流场三维分布形态为优化设计提供详细依据。此外，对于常规实验无法处理的复杂现象，如空化、水击等， 也可以用CFD方法进行模拟。CFD方法的应用必将大大提高阀门设计的技术含量与产品质量。

原创作者：浙江金锋自动化仪表有限公司