一種新型偏心蝶閥的設(shè)計與分析

楊 巖，楊恒虎,2，楊長輝，李 揚，徐國慶，劉 海

(1.重慶理工大學(xué)，重慶 400054；2.重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司，重慶 401121)

一種新型偏心蝶閥的設(shè)計與分析

楊 巖1，楊恒虎1,2，楊長輝1，李 揚1，徐國慶1，劉 海1

(1.重慶理工大學(xué)，重慶 400054；2.重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司，重慶 401121)

針對國內(nèi)氣動三偏心蝶閥易產(chǎn)生嚴(yán)重的“水錘”現(xiàn)象，設(shè)計了一種新型偏心蝶閥結(jié)構(gòu)，并對三偏心蝶閥和新偏心蝶閥的內(nèi)部流場特性進行了有限元模擬分析。介紹了新結(jié)構(gòu)蝶閥的構(gòu)造原理，分析了三偏心蝶閥和新結(jié)構(gòu)蝶閥的壓力云圖、速度云圖和流線分布圖，得到了其流量特性和流阻特性。分析結(jié)果表明，新結(jié)構(gòu)蝶閥增大了小開度下的流阻系數(shù)，減小了關(guān)閉瞬間的流量變化量，減輕了“水錘”現(xiàn)象。

三偏心蝶閥；新型偏心蝶閥；水錘；內(nèi)部流場

1 前言

三偏心蝶閥是一種旋轉(zhuǎn)型平板閥，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低等優(yōu)點，其主要特征在于其3個偏心：軸向偏心a、徑向偏心e、角偏心φ，如圖1所示。三偏心蝶閥在關(guān)閉或開啟過程中，密封圈的密封面與閥座密封面始終保持脫離狀態(tài)，只在關(guān)閉瞬間，兩密封面才剛好貼合，具有“瞬開”和“瞬閉”的特點，解決了蝶閥硬密封與干涉的問題，擴大了溫度和壓力的使用范圍，近年來得到迅猛發(fā)展[1～3]。然而，國內(nèi)各閥門制造商加工制造的氣動三偏心蝶閥，在關(guān)閉瞬間，由于流量的急劇變化和執(zhí)行機構(gòu)的不平順性而引起嚴(yán)重的水擊現(xiàn)象，即“水錘”現(xiàn)象，加速了閥門的磨損、縮短了閥門的使用壽命。

圖1 三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)示意

因此在實際使用過程中，需附加額外的液壓緩沖裝置加以消除，增加了使用成本。本文提出一種新型偏心結(jié)構(gòu)蝶閥，并以某儀表公司提供的三偏心蝶閥三維模型為基礎(chǔ)，建立新結(jié)構(gòu)蝶閥的三維模型，運用計算流體力學(xué)軟件Fluent，對比分析2種結(jié)構(gòu)蝶閥的流場特性。

2 新型偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)

新偏心蝶閥是在三偏心蝶閥3個偏心的基礎(chǔ)上，通過增加一個新旋轉(zhuǎn)偏心，形成一種新型偏心結(jié)構(gòu)蝶閥。新偏心結(jié)構(gòu)的密封面仍采用錐面密封的形式，其蝶板基礎(chǔ)模型為正圓錐，圖2所示為新型結(jié)構(gòu)蝶閥蝶板的構(gòu)造原理。依圖2(a)所示建立坐標(biāo)系，先將正圓錐繞Y軸旋轉(zhuǎn)一定角度即新偏心，再繞X軸旋轉(zhuǎn)一定角度α即角偏心，最后以相距為d且平行于XOY平面的兩截面截偏置圓錐所得圓臺即為新結(jié)構(gòu)蝶閥的蝶板，其余兩個偏心(徑向偏心與軸向偏心)，通過蝶板與閥軸偏置一定距離形成。新型偏心結(jié)構(gòu)與三偏心結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于，新結(jié)構(gòu)的構(gòu)造原理中比三偏心多了一個繞Y軸的旋轉(zhuǎn)角，即圖2(b)。在構(gòu)造原理中，三偏心與新結(jié)構(gòu)的偏置圓錐在XOY面上投影分別如圖3(a),(b)所示；三偏心結(jié)構(gòu)的圓錐軸線在坐標(biāo)平面YOZ內(nèi)，而新結(jié)構(gòu)圓錐軸線與坐標(biāo)平面YOZ形成一定角度。如圖3(c)所示，新結(jié)構(gòu)改變了偏心蝶閥密封面在同一位置處的錐度。

圖2 新偏心蝶閥構(gòu)造原理

圖3 新結(jié)構(gòu)與三偏心結(jié)構(gòu)對比

3 2種結(jié)構(gòu)蝶閥的數(shù)值模擬

3.1 控制方程的建立

蝶閥內(nèi)部流體的實際流動為湍流流動，在定場條件下，不可壓縮流體的流動可用雷諾方程組和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型構(gòu)成的封閉方程組來描述[4,5]。

連續(xù)性方程:

(1)

式中ρ——流體密度ui——流體的速度分量

湍流流動方程:

(2)

式中p——流體微元體上的壓力

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型方程:

vt=ρCtk2/ε

(3)

式中vt——湍流粘度k——湍流動能 ε——耗散率

湍動能k的方程:

(4)

式中μ——動力粘度

耗散率ε的方程：

(5)

其中系數(shù)Ct=0.09,Cε1=1.44，Cε2=1.92，σk=1.0，σε=1.3。

3.2 計算區(qū)域網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)置

為使流體流動能充分發(fā)展，分別取閥前閥后的管道長度為5D和10D(D為閥體通徑)的流體為模擬分析計算模型[6～10]；采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方法，對蝶閥前后圓柱管道劃分六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，閥體附近區(qū)域劃分四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并對蝶板進行面網(wǎng)格加密[11]，總網(wǎng)格單元為900萬左右。圖4為三偏心蝶閥在10°開度時的網(wǎng)格。

圖4 蝶板10°開度的網(wǎng)格示意

設(shè)置流體與壁面的接觸邊界為靜止無滑移固壁面邊界，設(shè)置壓力入口為100500 Pa，壓力出口為0 Pa；湍流狀態(tài)的描述設(shè)置為：湍流強度為3.39%，水力直徑為0.25 m；流體介質(zhì)為水，密度為1000 kg/m3；動力粘度為0.001003 Pa·s[12,13]。

4 2種結(jié)構(gòu)蝶閥流場分析結(jié)果

4.1 2種結(jié)構(gòu)蝶閥10°開度下內(nèi)部流場分布

4.1.1 壓力分布

圖5～7分別為2種結(jié)構(gòu)蝶閥在5°、10°和15°開度下XOZ面上的壓力分布云圖，由圖可得，在小開度下，由于開口較小，流過蝶閥流體較少，2種蝶閥的進出口壓力分布較均勻，不存在明顯的壓力區(qū)且流體負(fù)壓區(qū)域較小，壓力回復(fù)過程較短，因此小開度下，2種蝶閥所受的不平衡力較小。通過Fluent參數(shù)輸出可得，在5°開度下，三偏心與新結(jié)構(gòu)蝶閥的閥前后壓差分別為100489.2，100489.60 Pa，新結(jié)構(gòu)蝶閥的壓力損失略微高于三偏心蝶閥；當(dāng)開度為10°和15°時，2種結(jié)構(gòu)蝶閥的閥前后壓差分別為100433.55,100337.1,100439.47和100344.72 Pa，新結(jié)構(gòu)蝶閥的壓力損失更大。因此，在小開度下，新結(jié)構(gòu)蝶閥的壓力損失要高于三偏心蝶閥,且隨著開度的增大，2種結(jié)構(gòu)蝶閥的壓力損失都在逐步減小。

(a) 三偏心蝶閥

(b) 新結(jié)構(gòu)蝶閥

(a) 三偏心蝶閥

(b) 新結(jié)構(gòu)蝶閥

(a) 三偏心蝶閥

(b) 新結(jié)構(gòu)蝶閥

4.1.2 速度分布

圖8～10分別為2種結(jié)構(gòu)蝶閥在5°、10°、15°開度下XOZ面上的速度云圖。如圖8所示，在蝶板開度為5°時，新結(jié)構(gòu)蝶閥的閥后流體流動集中在閥后一小段范圍內(nèi)，流體流動極弱，動能不足且流動受阻，而三偏心蝶閥閥后流體擴散較大，動能充足；這表明，5°開度下，新結(jié)構(gòu)蝶閥的過閥流體已經(jīng)極少。

(a) 三偏心蝶閥

(b) 新結(jié)構(gòu)蝶閥

如圖9所示，蝶板開度為10°時，新結(jié)構(gòu)蝶閥的蝶板下端的流體流動未能得到充分發(fā)展，而三偏心蝶閥的閥后流體的流動卻得到了較好的發(fā)展，這表明新結(jié)構(gòu)蝶閥的閥后流體的流動受到了極大阻力，與三偏心蝶閥相比，其流阻更大。

(a) 三偏心蝶閥

(b) 新結(jié)構(gòu)蝶閥

如圖10所示，蝶板開度為15°時，新結(jié)構(gòu)蝶閥的閥后流體的流體仍受到較大阻力，但其速度分布情況與三偏心蝶閥趨于一致。

綜上所述，階段性心理干預(yù)可改善麥默通微創(chuàng)旋切術(shù)患者術(shù)中及術(shù)后焦慮、抑郁等負(fù)面情緒，減少術(shù)后并發(fā)癥，加快術(shù)后恢復(fù)進程，減免患者痛苦及不必要的醫(yī)療費用。因此，可作為臨床正性調(diào)節(jié)患者圍手術(shù)期心理狀況的干預(yù)手段。

(a) 三偏心蝶閥

(b) 新結(jié)構(gòu)蝶閥

4.1.3 流線分布

圖11～13分別為2種結(jié)構(gòu)蝶閥在5°、10°和15°開度下的流線分布圖。從圖11可知，5°開度時，三偏心蝶閥在閥后形成2個渦流，一個小渦流(第1個渦流)和一個大渦流(第2個渦流)，影響流體流動，其流線分布相對平順，而新結(jié)構(gòu)蝶閥的閥后一小范圍內(nèi)的流體流動極度紊亂，流線呈極度扭曲狀，這表明流體流動受到極大阻礙。

(a) 三偏心蝶閥

(b) 新結(jié)構(gòu)蝶閥

由圖12可知，10°開度時，由于密封圈與閥座的錐度不同原因，流過三偏心蝶閥的流體仍會在閥后形成兩個渦流，但大渦流與蝶板之間的小渦流的作用范圍明顯減小，流阻減?。恍陆Y(jié)構(gòu)蝶閥隨開度增大，也在閥后形成一個大渦流，但大渦流與蝶板之間形成了3個小渦流，其流動更為紊亂，增大了流體流動阻力，但主要影響流體流動狀態(tài)是后面的大渦流。

(a) 三偏心蝶閥

(b) 新結(jié)構(gòu)蝶閥

由圖13可知，15°開度下，2種結(jié)構(gòu)蝶閥仍然會在閥后形成一個大渦流，但其影響范圍都明顯減?。粚τ谌牡y小渦流變得更小了，流動變得平順；新結(jié)構(gòu)蝶閥的流線分布中，也由3個渦流變?yōu)?個渦流，其渦流對流體的影響也減小，但相較于三偏心蝶閥，其流體的紊亂程度更大，流阻更大。整體上，隨著開度的增大，2種結(jié)構(gòu)蝶閥的流體流動都趨于平順且流動狀態(tài)逐漸趨于相同。

(a) 三偏心蝶閥

(b) 新結(jié)構(gòu)蝶閥

通過對小開度的2種結(jié)構(gòu)蝶閥的壓力分布云圖、速度分布云圖、流線分布圖的分析可得，新結(jié)構(gòu)蝶閥增大了小開度下的流阻，減小了流量，使得在蝶閥在關(guān)閉瞬間的流量變化量更小，減輕了“水錘”現(xiàn)象；隨著蝶板開度的增大，新結(jié)構(gòu)蝶閥的閥后流體的流動逐漸與三偏心蝶閥趨于一致，從而具有與三偏心蝶閥相同的良好的流量調(diào)節(jié)性能。

4.2 2種結(jié)構(gòu)蝶閥90°開度下內(nèi)部流場分布

4.2.1 壓力分布

圖14為90°開度下，2種結(jié)構(gòu)蝶閥的壓力分布云圖，其壓差分別為68997.41 Pa和68866 Pa，新結(jié)構(gòu)蝶閥的壓力損失更小，流通能力更強；從壓力分布云圖上可得到，全開狀態(tài)下，閥門前后存在不同的壓力區(qū)、壓力梯度明顯，蝶板所受的不平衡力較明顯；由于閥座、閥軸、密封圈對流體的阻擋作用，其上存在著高壓力區(qū)且在閥軸與蝶閥的小縫隙存在著負(fù)壓，將會產(chǎn)生氣泡，發(fā)生“氣蝕”現(xiàn)象，可考慮在閥座處添加圓角以及消除閥軸與蝶板之間的小縫隙，形成一個整體結(jié)構(gòu)。整體上，由于2種蝶閥的整體結(jié)構(gòu)相同，其全開下的壓力分布情況基本相同。

(a) 三偏心蝶閥

(b) 新結(jié)構(gòu)蝶閥

4.2.2 速度分布

圖15為90°開度下2種結(jié)構(gòu)蝶閥的速度分布云圖，流體被蝶板分成上下兩個高速射流區(qū)。由于蝶板和閥軸的阻礙流體的流動，在蝶板尾部(錐角較小處)、閥軸和閥座后，存在著滯水區(qū)且最大速度出現(xiàn)在閥軸與蝶板之間的小縫隙，影響流體流動。整體上，2種結(jié)構(gòu)蝶閥的速度分布情況基本相同。

(a) 三偏心蝶閥

(b) 新結(jié)構(gòu)蝶閥

4.2.3 流線分布

圖16為90°開度下2種結(jié)構(gòu)蝶閥的流線分布圖。2種結(jié)構(gòu)蝶閥都會在閥座、閥軸和蝶板后形成渦流，影響流體流動。整體上，2種結(jié)構(gòu)蝶閥的流線分布也基本相同。因此，新偏心的存在，對蝶閥全開下的流體流動無影響，能滿足使用要求。

(a) 三偏心蝶閥

(b) 新結(jié)構(gòu)蝶閥

4.3 2種結(jié)構(gòu)蝶閥的流量特性與流阻特性

4.3.1 流量系數(shù)

流量系數(shù)是衡量閥門流通能力的指標(biāo)，其數(shù)值越小，流過閥門的流量越小，壓力損失越大。其計算公式如下[4]：

C=10Q(ρ/ΔP)1/2

(6)

式中C——流量系數(shù)Q——體積流量，m3/hρ——流體密度，kg/m3ΔP——閥門前后的壓差，Pa

4.3.2 流阻系數(shù)

流阻系數(shù)取決于閥門內(nèi)部零件的結(jié)構(gòu)、開口、形狀等；其值越小，壓力損失越小，流通能力越強。其計算公式如下[5]：

ζ=2ΔP/(ρu2)

(7)

式中ζ——流阻系數(shù)u——管道內(nèi)流體的平均速度，m/s

通過Fluent后處理，提取流量系數(shù)與流阻系數(shù)計算所需相關(guān)流體參數(shù)，按式(6)、(7)分別計算出2種結(jié)構(gòu)蝶閥不同開度下的流量系數(shù)與流阻系數(shù)，表1所示為三偏心蝶閥和新結(jié)構(gòu)蝶閥在5°、10°、15°、90°開度下的流體流量系數(shù)和流阻系數(shù)，從中可以得到，新結(jié)構(gòu)蝶閥在90°全開時，其流阻系數(shù)為2.10，比三偏心蝶閥的流阻系數(shù)(2.12)要小，提高了蝶閥的流通能力。在小開度下(5°、10°、15°)，新結(jié)構(gòu)蝶閥的流阻系數(shù)均比三偏心蝶閥的流阻系數(shù)大，流量系數(shù)均比三偏心蝶閥的小，因此，新結(jié)構(gòu)蝶閥有助于減輕蝶閥關(guān)閉瞬間的“水錘”現(xiàn)象。這與前述流場分析結(jié)果相同。

表1 2種蝶閥的流量系數(shù)和流阻系數(shù)

圖17,18分別為2種結(jié)構(gòu)蝶閥的流量特性曲線和流阻特性曲線。

圖17 流量特性曲線

圖18 流阻特性曲線

從圖可以看出，30°開度以下，偏心蝶閥的調(diào)節(jié)性能較弱，流阻系數(shù)較大；在30°到70°具有良好的調(diào)節(jié)特性且流阻系數(shù)較小，可作調(diào)節(jié)閥使用；開度達(dá)到70°后，流量調(diào)節(jié)作用變?nèi)酰贿@與文獻(xiàn)[14]的結(jié)果保持一致。從圖中還可看出，三偏心蝶閥與新結(jié)構(gòu)蝶閥的流量特性曲線與流阻系數(shù)特性曲線變化趨勢保持一致且重合度較高；因此，新蝶閥結(jié)構(gòu)仍具有三偏心結(jié)構(gòu)的流量調(diào)節(jié)特性。

5 結(jié)論

(1)全開狀態(tài)下，閥軸與蝶板之間的小縫隙區(qū)域產(chǎn)生負(fù)壓，易發(fā)生“氣蝕”現(xiàn)象，且此區(qū)域介質(zhì)流速最大，影響流體流動，增強了蝶閥的震動，可考慮采用消除閥軸與蝶閥之間小縫隙。在閥座兩端，可考慮加圓角，改善受力和介質(zhì)流動狀態(tài)；

(2)新結(jié)構(gòu)蝶閥在保持三偏心結(jié)構(gòu)良好的流量調(diào)節(jié)特性情況下，增大了在小開度下介質(zhì)的流阻，減小了流量，有效減輕了三偏心蝶閥關(guān)閉瞬間的“水錘”現(xiàn)象，降低了使用成本。

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Design and Analysis of a New Eccentric Butterfly Valve

YANG Yan1,YANG Heng-hu1,2,YANG Chang-hui1,LI Yang1,XU Guo-qing1,LIU Hai1

(1.Chongqing University of Technology,Chongqing 400054,China;2.Chongqing Chuanyi Control Valve Co.,Ltd.,Chongqing 401121,China)

A new structure of eccentric butterfly valve is proposed to lighten the phenomena of “Water Hammer” of three-eccentric pneumatic butterfly valve designed by some instrument company independently.A finite element analysis and simulation on the performance of internal flow field are conducted on three-eccentric butterfly valve and new eccentric butterfly valve.The structure principle of new structural butterfly valve is introduced.The pressure contours,velocity contours and streamline pattern of two kinds of butterfly valve are analyzed and the flow characteristics and flow resistance performance are achieved.The analysis results show that the new structural butterfly can reduce the “Water Hammer” phenomenon because of the increasing of flow resistance coefficient of the small opening and decreasing of flow variation at the instant of valve closure.

three-eccentric butterfly valve;new structural butterfly valve;water hammer;internal flow field

1005-0329(2017)01-0048-07

2016-04-26

2016-06-14

重慶市應(yīng)用開發(fā)計劃項目(cstc2014yykfA70003)

TH137

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.01.009

楊巖(1975-)，男，教授，主要從事智能農(nóng)業(yè)機械的設(shè)計與研究，通訊地址：400054 重慶市巴南區(qū)李家沱紅光大道69號重慶理工大學(xué)，E-mail：894614114@qq.com。