蝶閥管路不同開度下流動特性的仿真與試驗驗證

呂 頌 ，牛麗園 ，陳竹兵 ，鄭大鵬

（1.中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所 強度試驗研究室，沈陽 110015；2.中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所 遼寧省航空發(fā)動機沖擊力學重點實驗室，沈陽 110015；3.航空工業(yè)沈陽飛機設(shè)計研究所 質(zhì)量部，沈陽 110035）

0 引言

閥門是工業(yè)生產(chǎn)與研發(fā)過程中重要的連接與控制元件。國內(nèi)外相關(guān)高校與科研機構(gòu)的專家學者對閥門的研究由來已久，常學森等［1］利用ANSYS對DN300口徑三偏心蝶閥的反向承壓密封性能進行了仿真分析，優(yōu)化了其結(jié)構(gòu)設(shè)計。張松等［2］對大口徑蝶閥進行了建模與流場特性仿真分析，得到了當閥門開度大于53.65%時其流通性能較好的結(jié)論。國外文獻中對蝶閥的氣蝕現(xiàn)象與流量系數(shù)及轉(zhuǎn)矩系數(shù)隨閥門開啟過程的變化規(guī)律也有相關(guān)的研究［3-4］。HUANG 等［5］基于三維仿真技術(shù)對蝶閥內(nèi)的不可壓縮流體進行了研究，得到了速度場云圖和應(yīng)力場云圖。OGAWA等［6-7］分別對蝶閥的力矩特性與流阻特性進行了分析研究。DANBON等［8-9］通過實驗研究了在蝶閥前接直管和直角變管情況下的動水力矩系數(shù)。張勤昭等［10］通過試驗獲得了DN680口徑三偏心蝶閥在不同開度和速度下的流阻系數(shù)，并對閥板形狀進行了優(yōu)化。何慶中等［11］利用CFX對大口徑蝶閥的流場進行了仿真模擬，改進了蝶板結(jié)構(gòu)。楊巖等［12］通過仿真分析了新結(jié)構(gòu)蝶閥的壓力云圖、速度云圖與流線分布圖，得到了其流量特性與流阻特性。由此可見，目前國內(nèi)外文獻資料對于蝶閥流通特性的研究主要通過數(shù)值仿真模擬的方法［13-15］，而物理試驗驗證的方法由于經(jīng)濟成本較高，開展的并不多見。

在航空發(fā)動機及燃氣輪機渦輪葉片冷卻效果地面試驗中，閥門主要用于調(diào)節(jié)試驗件燃氣通道的進口總壓及出口靜壓，以便保證其出口馬赫數(shù)滿足物理相似條件。而驗證類技術(shù)狀態(tài)控制要求中規(guī)定在試驗前需要了解所選設(shè)備器件的性能指標，以免出現(xiàn)狀態(tài)參數(shù)無法調(diào)節(jié)到設(shè)計要求值從而影響試驗結(jié)果準確度和試驗效率的情況。為此，本文以DN65蝶閥管路為例，利用仿真軟件在試驗前對其在不同開度下流動性能進行仿真分析，并在試驗中對相關(guān)特性參數(shù)進行了測試驗證。

1 模型的建立

1.1 蝶閥管路主要結(jié)構(gòu)

蝶閥管路的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由進氣管路、蝶閥閥體、蝶閥閥瓣和排氣管路4部分組成。其中進氣管路設(shè)計長度為120 mm，排氣管路設(shè)計長度為300 mm，其設(shè)計目的為使氣體流路穩(wěn)定并充分發(fā)展。

圖1 蝶閥管路主要結(jié)構(gòu)Fig.1 Main structure of butterfly valve pipeline

蝶閥管路結(jié)構(gòu)中對氣體流通性能起決定作用的是閥瓣結(jié)構(gòu)。實際工況中通過調(diào)節(jié)閥瓣的旋轉(zhuǎn)角度來改變整個蝶閥管路的當量流通面積，從而起到調(diào)節(jié)流量與壓力的作用。本文則基于上述條件針對不同的閥瓣旋轉(zhuǎn)角度，對整個蝶閥管路氣體流動性能進行仿真研究與驗證分析工作。

1.2 仿真模型

使用UG NX三維建模設(shè)計軟件建立DN65蝶閥管路的仿真模型如圖2所示，氣體流動管路直徑為65 mm，蝶閥前端管路長120 mm，蝶閥后端管路長300 mm。閥門全開狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)角度為0°，當旋轉(zhuǎn)角度為75°以上時閥門完全關(guān)閉。

圖2 蝶閥管路三維模型Fig.2 Three-dimensional model of butterfly valve pipeline

利用FloEFD流體仿真軟件對上述三維模型閥門管路在不同開度工況下進行仿真分析，其中0°，45°和75°工況下閥門開度情況如圖3所示。

圖3 蝶閥旋轉(zhuǎn)角度0°，45°，75°工況下的氣體流路Fig.3 The gas flow path of the butterfly valve with rotation angle of 0°，45°and 75°

根據(jù)試驗過程中的真實情況，設(shè)置入口邊界條件為質(zhì)量流量入口0.4 kg/s與0.2 kg/s，出口邊界條件為自由出流靜壓101 325 Pa，管路壁面為剛性壁面，流體介質(zhì)為空氣，溫度為293 K。

1.3 FloEFD模塊介紹

FloEFD是無縫集成于主流三維CAD軟件中的高度工程化的通用流體傳熱分析軟件，它基于當今主流CFD軟件都廣泛采用的有限體積法（FVM）開發(fā)，采用矩形結(jié)構(gòu)化的自適應(yīng)網(wǎng)格與修正的壁面函數(shù)技術(shù)，通過自動收斂控制使得大部分求解可以一次成功，無數(shù)值假擴散。

2 仿真計算與分析

由于流動狀態(tài)與邊界條件相似，僅對入口質(zhì)量流量0.4kg/s邊界條件下4個閥門旋轉(zhuǎn)角度典型工況下的仿真結(jié)果進行分析。

2.1 仿真結(jié)果

當閥門旋轉(zhuǎn)角度為0°時，仿真計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 蝶閥角度0°工況下氣流速度、壓力特性云圖Fig.4 Nephograms of air flow velocity and pressure characteristics of butterfly valve under 0° working condition

由圖可知，此時閥門處于全開狀態(tài)，不過由于蝶閥本身閥體的存在，對整個氣體流路具有極小的節(jié)流作用。氣體流路的狀態(tài)整體較穩(wěn)定，閥體后產(chǎn)生兩處較大渦流，閥體前后壓降較小，閥后氣體流路產(chǎn)生了較厚的流動邊界層。

當閥門旋轉(zhuǎn)角度為45°時，仿真計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 蝶閥角度45°工況下氣流速度、壓力特性云圖Fig.5 Nephograms of air flow velocity and pressure characteristics of butterfly valve under 45° working condition

由圖可知，此時閥門關(guān)閉的角度較大，導致閥體后的渦流數(shù)量增加，同時在節(jié)流處出現(xiàn)了局部超音速現(xiàn)象，氣體流路的流動狀態(tài)不穩(wěn)定。局部超音速產(chǎn)生的部分激波導致閥體前后靜壓差較大，總壓低壓區(qū)變大。

當閥門旋轉(zhuǎn)角度為60°時，仿真計算結(jié)果如圖6所示。由圖可知，此時閥門關(guān)閉的角度持續(xù)增大，閥后氣體流路流動狀態(tài)已變得相當不穩(wěn)定，節(jié)流處的局部超音速現(xiàn)象更加明顯，更加明顯的激波導致閥體前后靜壓差已經(jīng)變得相當大，同時由于節(jié)流現(xiàn)象較明顯，出現(xiàn)了大面積的總壓低壓區(qū)。

圖6 蝶閥角度60°工況下氣流速度、壓力特性云圖Fig.6 Nephograms of air flow velocity and pressure characteristics of butterfly valve under 60° working condition

當閥門旋轉(zhuǎn)角度為75°時，仿真計算結(jié)果如圖7所示。由圖可知，此時閥門關(guān)閉的角度極大，閥后氣體流路流動狀態(tài)極不穩(wěn)定，同時閥后出現(xiàn)了大范圍的超音速流動區(qū)域。由于節(jié)流現(xiàn)象極為明顯，閥體前后總、靜壓差極大，閥后基本上均為低壓區(qū)。

圖7 蝶閥角度75°工況下氣流速度、壓力特性云圖Fig.7 Nephograms of air flow velocity and pressure characteristics of butterfly valve under 75° working condition

2.2 仿真結(jié)果分析

蝶閥的壓力損失系數(shù)的計算公式如下：

式中 Δp ——流體入口與出口的總壓差，Pa；

ρ ——流體密度，kg/m3；

ν ——流體速度，m/s。

蝶閥管路不同旋轉(zhuǎn)角度開度工況下流動特性系數(shù)的仿真計算結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，隨著閥門旋轉(zhuǎn)角度的增加，開度逐漸減小，壓力損失系數(shù)逐漸上升。當閥門旋轉(zhuǎn)角度由0°關(guān)閉到15°時，入口平均壓力變化不大，壓力損失系數(shù)增大至原來1.6倍。當閥門旋轉(zhuǎn)角度由15°關(guān)閉到45°時，入口平均壓力增大至原來1.8倍，壓力損失系數(shù)增大至原來12.9倍。閥門旋轉(zhuǎn)角度由45°關(guān)閉到60°時，入口平均壓力增大至原來2倍，壓力損失系數(shù)增大至原來5.7倍左右。閥門旋轉(zhuǎn)角度由60°關(guān)閉到75°時，入口平均壓力增大至原來3.2倍，壓力損失系數(shù)增大至原來12.7倍左右。由此可見，當閥門開度逐漸減小時，流動特性系數(shù)呈現(xiàn)急劇增漲趨勢。

表1 流動特性系數(shù)仿真計算結(jié)果Tab.1 Simulation results of flow characteristic coefficient

3 試驗驗證與對比

3.1 試驗系統(tǒng)

搭建的試驗驗證系統(tǒng)如圖8所示，在試驗系統(tǒng)入口設(shè)置進氣閥門與氣體流量計用來控制整個氣路的質(zhì)量流量Gm。在蝶閥管路的入口與出口分別布置總、靜壓復(fù)合探針受感部，分別測量氣體流路進、出口的總、靜壓值（p*，p）及氣體流速 v。蝶閥管路被試件采用與仿真計算模型相同的幾何尺寸，進氣管路長度為120 mm，排氣管路長度為300 mm，進、排氣管路內(nèi)徑均為65 mm，壁厚為4 mm。試驗過程中待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后再進行采集，試驗數(shù)據(jù)處理過程考慮儀器儀表的系統(tǒng)誤差與數(shù)據(jù)采集的隨機誤差，采用3σ法則去除人為粗大誤差。

圖8 試驗系統(tǒng)示意Fig.8 Schematic diagram of test system

3.2 仿真與試驗結(jié)果對比

氣體流路的壓力損失系數(shù)的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比情況見圖9所示。

圖9 質(zhì)量流量0.4，0.2 kg/s下閥門不同角度流動特性系數(shù)仿真與試驗結(jié)果對比Fig.9 Comparison of simulation and test results of valve flow characteristic coefficients at different angles at the mass flow rate of 0.4，0.2 kg/s

從圖中可以看出，在蝶閥管路質(zhì)量流量為0.4 kg/s與0.2 kg/s工況下，仿真計算結(jié)果與試驗測試結(jié)果均對應(yīng)的較好。圖中給出了蝶閥管路壓力損失系數(shù)隨閥瓣旋轉(zhuǎn)角度變化的單值函數(shù)擬合經(jīng)驗關(guān)系式如下：

質(zhì)量流量為0.4 kg/s時，

質(zhì)量流量為0.2 kg/s時，

當閥門旋轉(zhuǎn)角度為 0°，15°，30°，45°及 52°時，壓力損失系數(shù)的仿真計算與試驗驗證結(jié)果相差相對較小。當閥門旋轉(zhuǎn)角度為60°，67°及75°時，壓力損失系數(shù)的仿真計算與試驗驗證結(jié)果相差相對較大，尤其是在閥門旋轉(zhuǎn)角度75°工況下，仿真計算結(jié)果與試驗結(jié)果產(chǎn)生了最大偏差。這是由于此時氣體流路出口出現(xiàn)了大面積超音速現(xiàn)象與激波導致總、靜壓探針受感部測量結(jié)果受到了影響。

4 結(jié)論

（1）試驗仿真技術(shù)的應(yīng)用可以詳細了解所用蝶閥管路試驗設(shè)備的功能特性與性能指標，從而完善試驗方案，提高試驗效率與試驗精度。

（2）采用仿真計算結(jié)合試驗測試驗證的方法得到了閥瓣不同旋轉(zhuǎn)角度下的壓力損失系數(shù)，并擬合了單值函數(shù)經(jīng)驗關(guān)系式。

（3）本類型蝶閥管路的開度小于60°時氣體流路的壓力損失系數(shù)明顯增加，流場也變得較為復(fù)雜，因此在進行氣體流量及壓力調(diào)節(jié)時應(yīng)盡量保證其工作開度在旋轉(zhuǎn)角度60°以上。