三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及流場分析

韋彥強，何世權(quán)

(南京工業(yè)大學 機械與動力工程學院，江蘇 南京 211816)

引言

三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，解決了中線蝶閥只能在低溫低壓工況下使用的問題，將雙偏心蝶閥中的擠壓變形密封轉(zhuǎn)化成扭力密封，成功解決了金屬密封面無法實現(xiàn)零泄漏的問題，即使在高溫高壓等極端工況下，三偏心蝶閥仍能表現(xiàn)優(yōu)良，因此被廣泛地應用于各行各業(yè)[1-2]。

陳松[3]通過對三偏心蝶閥進行結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)蝶閥在流阻方面存在問題進行改進，并對2種不同型號結(jié)構(gòu)的蝶閥進行流體分析，經(jīng)驗證，所設(shè)計的三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)滿足強度設(shè)計要求，對蝶板的流體優(yōu)化分析，有效地降低了流阻的影響，提高了三偏心蝶閥的流通能力。楊恒虎[4]基于三偏心蝶閥的一些缺點，設(shè)計了一種新型偏心蝶閥結(jié)構(gòu)，分析了干涉現(xiàn)象與偏心參數(shù)之間的關(guān)系，開發(fā)出了偏心參數(shù)干涉優(yōu)化取值程序，并使用有限元軟件分析了改進前后的結(jié)構(gòu)特性與內(nèi)部流場性能，為偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計奠定了一定的基礎(chǔ)。

為了降低閥板過流面的壓力，提高閥板迎水面的承壓能力，本研究提出一種新型桁架過流式三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)。根據(jù)選取的求解器和設(shè)置的邊界條件在Fluent中進行流場模擬計算，得到不同開度下三偏心蝶閥的壓力、速度云圖及速度流線圖。對比分析改進前后2種結(jié)構(gòu)的各項數(shù)據(jù)，并計算出不同開度下優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)的流量系數(shù)，然后根據(jù)模擬結(jié)果的對比分析，驗證優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在各項流場性能上是否有所提升，為三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供理論支撐[5]。

1 閥板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與建模

蝶閥又稱翻板閥，閥板圍繞回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動來控制蝶閥的啟閉。本研究的原始模型為來自某閥門廠的DN350三偏心蝶閥，該結(jié)構(gòu)閥板過流面的壓力過大，且閥板迎水面的承壓能力較小，閥板三維模型如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)三偏心蝶閥閥板

基于傳統(tǒng)三偏心蝶閥問題，重點對其閥板進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，本研究提出一種新型桁架過流式三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 桁架過流式三偏心蝶閥閥板

在傳統(tǒng)三偏心蝶閥閥板上設(shè)置桁架組件。桁架組件包括相對豎立設(shè)置在閥板迎水面上的2個立板、連接在2個立板之間的橫板以及相對傾斜設(shè)置在橫板與閥板之間的2個斜板。

通過在閥板的迎水面上設(shè)置桁架組件，使得該結(jié)構(gòu)能有效降低閥板過流面的壓力，提高閥板迎水部分的承壓能力，尤其在閥板與閥座之間密封面的接觸部分，這部分壓力的減小可以在一定程度上減緩閥板的磨損，保證蝶閥關(guān)閉后密封的可靠性。

后續(xù)將對改進前后的三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)進行流場研究，通過數(shù)據(jù)對比分析，驗證閥板迎水面承壓能力是否提高。

2 流場的模擬分析

2.1 流道的抽取

為避免回流，根據(jù)ANSI/AWWA C504—2019《橡膠密封蝶閥》標準,取2倍閥板直徑長度為進口延長段，取4倍閥板直徑長度為出口延長段，在SolidWorks中通過布爾計算抽取改進前后三偏心蝶閥的流道幾何模型，以大開度70°為例，流道幾何模型如圖3所示。

a) 優(yōu)化前

b) 優(yōu)化后圖3 優(yōu)化前后流道幾何模型

2.2 網(wǎng)格劃分

將流道幾何模型導入ICEM CFD中進行網(wǎng)格劃分，以大開度70°為例，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗證后，確定改進前網(wǎng)格數(shù)為700萬，改進后為725萬，劃分時選取四面體網(wǎng)格進行劃分，并采用三層的邊界加密層，流道網(wǎng)格模型如圖4所示。

a) 改進前

b) 改進后圖4 改進前、后流道網(wǎng)格模型

2.3 邊界條件的設(shè)置

流體流經(jīng)閥體時，流動不穩(wěn)定將會發(fā)生湍流，因此采用標準k-ε模型[6]，設(shè)置進口壓力為0.6 MPa，壓差為0.5 MPa，溫度為30 ℃。

2.4 壓力場分析

以閥板開度20°(小開度)、45°(半開)、70°(大開度)、90°(全開)4個開度為例，分析優(yōu)化前后的壓力場，結(jié)果如圖5所示。

a) 優(yōu)化前(20°)

b) 優(yōu)化后(20°)

c) 優(yōu)化前(45°)

d) 優(yōu)化后(45°)

e) 優(yōu)化前(70°)

f) 優(yōu)化后(70°)

g) 優(yōu)化前(90°)

h) 優(yōu)化后(90°)圖5 不同閥板開度下優(yōu)化前后壓力場分布

由圖5可得：

(1) 閥板由小開度到全開過程中，閥板上端所受壓力大于閥板下端所受壓力，且大壓力主要來自閥板左側(cè)上部；

(2) 優(yōu)化后的閥板在不同開度下，過流面處承受的壓力變小，承壓面所能承受的壓力變大。

2.5 速度場分析

以閥板開度20°(小開度)、45°(半開)、70°(大開度)、90°(全開)4個開度為例，分析優(yōu)化前后的速度場，結(jié)果如圖6所示[7-9]。

由圖6可得：

(1) 閥板在不同開度下，高速度區(qū)域均集中在閥板上下兩端；

(2) 對比同樣開度下流體流經(jīng)閥板表面時的速度，優(yōu)化后的閥板表面的流經(jīng)速度減小，所受沖刷減?。?/p>

a) 優(yōu)化前(20°)

b) 優(yōu)化后(20°)

c) 優(yōu)化前(45°)

d) 優(yōu)化后(45°)

e) 優(yōu)化前(70°)

f) 優(yōu)化后(70°)

g) 優(yōu)化前(90°)

h) 優(yōu)化后(70°)圖6 不同閥板開度下優(yōu)化前、后速度場分布

2.6 速度流線分析

以閥板開度20°(小開度)、45°(半開)、70°(大開度)、90°(全開)4個開度為例，分析優(yōu)化前后的速度流線圖，結(jié)果如圖7所示。

a) 優(yōu)化前(20°)

b) 優(yōu)化后(20°)

c) 優(yōu)化前(45°)

d) 優(yōu)化后(45°)

e) 優(yōu)化前(70°)

f) 優(yōu)化后(70°)

g) 優(yōu)化前(90°)

h) 優(yōu)化后(90°)圖7 不同閥板開度下優(yōu)化前、后速度流線分布

由圖7可得：

(1) 三偏心蝶閥在小開度下速度流線非常雜亂，所以易發(fā)生湍流及渦流，隨著開度不斷增大，流動逐漸趨于穩(wěn)定；

(2) 在大開度下，對比分析可知，優(yōu)化后的閥板周圍流動穩(wěn)定性更好。

2.7 流量系數(shù)對比

查閱閥門設(shè)計手冊，可得三偏心蝶閥流量系數(shù)公式為：

(1)

式中,Kν—— 流量系數(shù)

Δp—— 進出口液體壓力降

Q—— 閥門進口流量

G—— 介質(zhì)比重，常溫水取1

在流場數(shù)值模擬過程中，測得改進前后結(jié)構(gòu)在不同開度下的流量，本研究設(shè)置固定壓差為0.5 MPa，按式(1)計算得出改進前后蝶閥的流量系數(shù)如表1所示。

表1 流量系數(shù)表

由表1可知，在相同開度下，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的流量系數(shù)更大，且優(yōu)化后結(jié)構(gòu)在開度為70°(大開度)時的流量系數(shù)已經(jīng)大于優(yōu)化前結(jié)構(gòu)在90°(全開)的流量系數(shù)，這表明：優(yōu)化后的三偏心蝶閥流通能力有很大的提升，蝶閥內(nèi)部的流動阻力有所減小，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在實際應用中具有良好的性能優(yōu)勢[6-9]。

2.8 阻力特性試驗的對比分析

在某閥門廠進行流阻特性對比試驗平臺的搭建，試驗系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 試驗系統(tǒng)圖

按如圖8所示的試驗系統(tǒng)進行完整的阻力特性試驗后，得出改進前后的結(jié)構(gòu)在不同開度下的流阻系數(shù)，如表2所示。

表2 流阻系數(shù)表

由表2可知，隨著開度不斷變大，流阻系數(shù)明顯減?。煌乳_度下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的流阻系數(shù)小于優(yōu)化前，試驗結(jié)果表明：優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的流阻系數(shù)更小，流通能力更強[10-13]。

3 結(jié)論

(1) 針對傳統(tǒng)三偏心蝶閥的缺點，根據(jù)蝶閥設(shè)計原理，提出一種新型桁架過流式三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)，重點對其閥板進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，利用SolidWorks建立對應的三維模型；

(2) 對比分析云圖與流量系數(shù)后得出：優(yōu)化后的閥板在不同開度下，過流面處承受的壓力變小，承壓面所能承受的壓力變大；三偏心蝶閥在小開度下速度流線非常雜亂，所以易發(fā)生湍流及渦流，隨著開度不斷增大，流動逐漸趨于穩(wěn)定。在大開度下，優(yōu)化后的閥板周圍流動穩(wěn)定性更好；

(3) 優(yōu)化后的流量系數(shù)在不同開度下均大于優(yōu)化前，優(yōu)化后的三偏心蝶閥流通能力有很大的提升，蝶閥內(nèi)部的流動阻力有所減小，改進后的蝶閥結(jié)構(gòu)具有性能優(yōu)勢；

(4) 在流場模擬研究的基礎(chǔ)上，開展流阻特性試驗對比分析，得出優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的流阻系數(shù)更小的結(jié)論，更好地證明了優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。