霍增辉， 董 成， 俞经虎*， 刘建新， 韦一心

(1.江南大学 机械工程学院， 江苏 无锡 214122； 2.无锡斯考尔自动控制设备有限公司， 江苏 无锡 214028)

阀杆轴心同时偏离碟板中心及阀体中心，且阀座回转轴线与阀体通道轴线呈一定角度的阀称为三偏心蝶阀。其适用于各种不同的工况，既可以用于低压差的调节场合，也适于开关和严密切断流体的场合。目前学者就三偏心蝶阀的3个偏心值对流通性能的影响作了一些研究：何庆中等[1]利用动网格技术及用户自定义函数对三偏心蝶阀开启过程中出现的涡街现象进行了数值模拟，得到了开启后不同时刻下的涡流速度和涡流长度；刘惺等[2]分析出了三偏心蝶阀的内部流场变化规律以及不同关阀速度对蝶板的动水压强的变化规律。为了提高蝶阀的流通性能，课题组应用ANSYS软件对蝶阀内部进行了流场模拟，通过改变3个偏心值对流量系数和流阻系数进行对比分析，采用正交试验找到了最优解，为三偏心蝶阀的设计提供思路。

1 阀门内部流场模拟

1.1 三偏心蝶阀模型建立及网格划分

课题组运用三维建模软件Ug建立三偏心蝶阀的模型。三偏心蝶阀具有密封面偏离轴中心线(轴向偏心a)、轴中心线偏离阀体和阀板的几何中心(径向偏心b)、密封面的锥面轴线偏离于阀板几何中心(角偏心φ)的特点，如图1所示。

图1 三偏心蝶阀结构简图及三维模型Figure 1 Structure diagram and 3D model of tri-eccentric butterfly valve

为了保证计算结果的准确性，以8倍的蝶阀直径作为入口段的长度，10倍的蝶阀直径作为出口段的长度[3]，将模型保存为step通用格式导入ANSYS。为了简化模型，对蝶阀流场进行定常流动以及不可压缩流动分析[4]。为了使计算结果更接近实际情况，流道模型分为3个部分：入口部分、阀体部分、出口部分。蝶阀计算模型如图2(a)所示。运用ANSYS软件对模型进行网格划分，为了获得更多的高质量网格，对流体模型进行了简化，采用四面体网格对三偏心蝶阀流道进行网格划分，正交性质量0.1以上；平均网格质量越高越好，相邻网格之间网格大小不能太大，保证网格平滑过度[5]。对阀板周围、阀座周围的网格进行细化处理，通过网格修复手段删除质量低于0.3以下的网格，提高网格质量。总计划分了1 103 307个单元，模型的节点为228 746个左右，如图2(b)所示。设置单元格区域为水，边界条件为速度入口3.72 m/s，温度为15.5 ℃，压力出口0 Pa(1个大气压)。计算分析时，保证管道内流动处于紊流状态，管内流动为湍流(Re大于2 300)，设置计算模型为标准κ-ε湍流模型[6-7]。

图2 三偏心蝶阀计算模型及网格划分Figure 2 Calculation model and mesh generation of tri-eccentric butterfly valve

1.2 数值模拟分析结果

课题组截取了通过流道中心并且垂直于旋转轴的平面，比较平面内阀门不同开度下的压力分布云图，结果如图3所示。

图3 不同开度下阀门的压力分布云图Figure 3 Pressure distribution nephogram of valve under different opening degrees

从图3中可以看出，蝶阀开度超过40°时，由于蝶阀结构的径向偏心，上半部分开口程度大于下半部分，其流通面积较大，压力主要分布在蝶板背面的下半部分，蝶板上半部分压力小于下半部分；在40°～80°时这种压力差较为明显，蝶板存在开启方向上的动水力矩也是因此而产生的。阀门在开度小于40°时蝶阀前后的压力差变化较大，开度大于40°时前后压力差变化较小。

图4 不同开度下阀门的速度流线图Figure 4 Velocity streamline diagram of valve under different opening degrees

蝶阀的速度流线图如图4所示。从图4中可以看出流体在阀板附近流场较为复杂，在蝶阀开启的过程中，因较大的压差导致流体的速度骤然变大，产生强烈的涡流。该涡流状态即为涡街现象，从蝶阀开启时到40°时比较明显，而且涡街现象较为强烈；随着开启角度的不断增大涡街现象逐渐减弱直至消失。随着开度的增大，阀板附近流体的速度趋向平缓。

1.3 流动特性参数

流量系数Cv和流阻系数x是阀门的代表性参数。流量系数Cv的计算公式为

(1)

式中：q为水流量，m3/h；ρ为水的密度，kg/m3；Δp为流经阀门的压力损失，Pa。

当介质流经阀体时，如果蝶阀的流阻系数较小，将有利于水流的通过，其流体阻力损失以阀门前后的流体压力降表示[8]。流阻系数x为

(2)

式中：x为阀门的流阻系数；Δp为流经阀门的压力损失，Pa；ρ为介质密度，kg/m3；v为流速，m/s。

1.4 阀门流量特性

由CFD分析得到的结果，经计算后可得到三偏心硬密封蝶阀在不同开度下的流量系数和流阻系数。利用Origin软件绘制出流量特性曲线，如图5所示。

图5 不同开度下阀门的流量系数和流阻系数Figure 5 Flow coefficient and flow resistance coefficient of valve with different opening

由图5可以看出，开度在80°以内时，流量系数随着开度的增大而增大，在10°～40°时增大的幅度比较小，而在40°～80°时增大的幅度比较大，在80°到全开时Cv值基本不变。随着蝶阀开度的增大，蝶阀的流阻系数逐渐变小，在开度超过70°后流阻系数基本保持不变；蝶阀在40°开度下的流阻系数为13.428，而全开时的流阻系数为1.691，前者约是后者的8倍。

2 三偏心蝶阀各偏心值对流通能力的影响

三偏心硬密封蝶阀蝶板在开启和关闭过程中是否与阀体产生干涉受轴向偏心和径向偏心值的影响；角度偏心确保了蝶阀密封副为面接触，并经过密封副的挤压变形来隔绝流体介质的泄漏[9]，因此蝶阀3个偏心值的确定对蝶阀的流通能力会产生一定的影响。改变各偏心值以蝶阀开度40°时对比分析蝶阀3个偏心值对于流量系数和流阻系数的影响，结果如图6所示。

图6 3个偏心值与流量系数和流阻系数之间的关系Figure 6 Relationship between three eccentricity values and flow coefficient and flow resistance coefficient

由图6(a)中可以看出，当轴向偏心距发生变化时，流量系数和流阻系数变化较小，流量系数的最大变化范围为823.36～823.86；流阻系数的最大变化范围为13.358～13.778，可见轴向偏心值对流量系数和流阻系数的影响较小。从图6(b)中可以看出，随着径向偏心距的增大流量系数先减小后增大再减小，径向偏心距在10～16 mm时对流量系数影响较大；流阻系数在10～14 mm、16～20 mm时大致呈线性增加，14～16 mm时略微降低。从图6(c)中可以看出，随着偏心角的增大流量系数先增大后减小，偏心角5°时最大，其值为822.773；流阻系数总体呈上升趋势，可见偏心角不宜过大。综上可知，轴向偏心对于蝶阀的流通性能影响较小，径向偏心和角偏心对蝶阀的流通性能影响较大。

3 三偏心蝶阀3个偏心值优化的正交试验设计

正交试验设计是研究多因素多水平的又一种设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点，正交试验设计是分式析因设计的主要方法，也是一种高效率、快速和经济的实验设计方法[10]。

3.1 确定正交试验的因素与水平

三偏心蝶阀的3个偏心值作为正交试验的3个因素，以三偏心蝶阀的流量系数和流阻系数作为正交试验的性能指标。以蝶阀的轴向偏心值a=48 mm，径向偏心值b=14 mm，偏心角φ=5.5°作为设计值，选取4个水平，其正交试验因素的水平表如表1所示。

表1 正交试验因素水平表

3.2 正交试验方案组合及分析

依据上述的正交试验因素水平表，列出了蝶阀的正交试验方案组合；利用上述部分三偏心蝶阀的数值模拟方法，计算得到每个方案组合的流量系数和流阻系数。试验方案组合和指标如表2所示。

表2 正交试验方案组合及计算结果

表3 流量系数极差分析表

表4 流阻系数极差分析表

将优化前后的设计参数进行对比，如表5所示。从表5可以得出优化后流量系数比原来增加了2.7%，流阻系数比原来降低了11.6%。

表5 优化前后的参数对比

4 结论

1) 课题组应用ANSYS软件对三偏心硬密封蝶阀进行了流场模拟，获得了不同开度下蝶阀内部的速度、压力流场分布；通过计算获得了蝶阀的流量系数和流阻系数，最后得出了蝶阀的流量特性曲线。

2) 课题组就三偏心硬密封蝶阀3个偏心值对蝶阀流通性能的影响进行了研究，结果表明轴向偏心对流通性能影响较小，径向偏心和角偏心对流通性能影响较大。通过正交试验法优化了蝶阀的3个偏心值，增大了蝶阀的流量系数，降低了蝶阀的流阻系数，提高了蝶阀的流通性能。