三偏心蝶阀的结构优化及流场分析

韦彦强，何世权

(南京工业大学 机械与动力工程学院，江苏 南京 211816)

引言

三偏心蝶阀结构的出现，解决了中线蝶阀只能在低温低压工况下使用的问题，将双偏心蝶阀中的挤压变形密封转化成扭力密封，成功解决了金属密封面无法实现零泄漏的问题，即使在高温高压等极端工况下，三偏心蝶阀仍能表现优良，因此被广泛地应用于各行各业[1-2]。

陈松[3]通过对三偏心蝶阀进行结构分析，根据蝶阀在流阻方面存在问题进行改进，并对2种不同型号结构的蝶阀进行流体分析，经验证，所设计的三偏心蝶阀的结构满足强度设计要求，对蝶板的流体优化分析，有效地降低了流阻的影响，提高了三偏心蝶阀的流通能力。杨恒虎[4]基于三偏心蝶阀的一些缺点，设计了一种新型偏心蝶阀结构，分析了干涉现象与偏心参数之间的关系，开发出了偏心参数干涉优化取值程序，并使用有限元软件分析了改进前后的结构特性与内部流场性能，为偏心蝶阀的结构优化设计奠定了一定的基础。

为了降低阀板过流面的压力，提高阀板迎水面的承压能力，本研究提出一种新型桁架过流式三偏心蝶阀结构。根据选取的求解器和设置的边界条件在Fluent中进行流场模拟计算，得到不同开度下三偏心蝶阀的压力、速度云图及速度流线图。对比分析改进前后2种结构的各项数据，并计算出不同开度下优化前后结构的流量系数，然后根据模拟结果的对比分析，验证优化后的结构在各项流场性能上是否有所提升，为三偏心蝶阀的结构优化设计提供理论支撑[5]。

1 阀板的结构优化与建模

蝶阀又称翻板阀，阀板围绕回转中心转动来控制蝶阀的启闭。本研究的原始模型为来自某阀门厂的DN350三偏心蝶阀，该结构阀板过流面的压力过大，且阀板迎水面的承压能力较小，阀板三维模型如图1所示。

图1 传统三偏心蝶阀阀板

基于传统三偏心蝶阀问题，重点对其阀板进行结构优化，本研究提出一种新型桁架过流式三偏心蝶阀结构，如图2所示。

图2 桁架过流式三偏心蝶阀阀板

在传统三偏心蝶阀阀板上设置桁架组件。桁架组件包括相对竖立设置在阀板迎水面上的2个立板、连接在2个立板之间的横板以及相对倾斜设置在横板与阀板之间的2个斜板。

通过在阀板的迎水面上设置桁架组件，使得该结构能有效降低阀板过流面的压力，提高阀板迎水部分的承压能力，尤其在阀板与阀座之间密封面的接触部分，这部分压力的减小可以在一定程度上减缓阀板的磨损，保证蝶阀关闭后密封的可靠性。

后续将对改进前后的三偏心蝶阀结构进行流场研究，通过数据对比分析，验证阀板迎水面承压能力是否提高。

2 流场的模拟分析

2.1 流道的抽取

为避免回流，根据ANSI/AWWA C504—2019《橡胶密封蝶阀》标准,取2倍阀板直径长度为进口延长段，取4倍阀板直径长度为出口延长段，在SolidWorks中通过布尔计算抽取改进前后三偏心蝶阀的流道几何模型，以大开度70°为例，流道几何模型如图3所示。

a) 优化前

b) 优化后图3 优化前后流道几何模型

2.2 网格划分

将流道几何模型导入ICEM CFD中进行网格划分，以大开度70°为例，经网格无关性验证后，确定改进前网格数为700万，改进后为725万，划分时选取四面体网格进行划分，并采用三层的边界加密层，流道网格模型如图4所示。

a) 改进前

b) 改进后图4 改进前、后流道网格模型

2.3 边界条件的设置

流体流经阀体时，流动不稳定将会发生湍流，因此采用标准k-ε模型[6]，设置进口压力为0.6 MPa，压差为0.5 MPa，温度为30 ℃。

2.4 压力场分析

以阀板开度20°(小开度)、45°(半开)、70°(大开度)、90°(全开)4个开度为例，分析优化前后的压力场，结果如图5所示。

a) 优化前(20°)

b) 优化后(20°)

c) 优化前(45°)

d) 优化后(45°)

e) 优化前(70°)

f) 优化后(70°)

g) 优化前(90°)

h) 优化后(90°)图5 不同阀板开度下优化前后压力场分布

由图5可得：

(1) 阀板由小开度到全开过程中，阀板上端所受压力大于阀板下端所受压力，且大压力主要来自阀板左侧上部；

(2) 优化后的阀板在不同开度下，过流面处承受的压力变小，承压面所能承受的压力变大。

2.5 速度场分析

以阀板开度20°(小开度)、45°(半开)、70°(大开度)、90°(全开)4个开度为例，分析优化前后的速度场，结果如图6所示[7-9]。

由图6可得：

(1) 阀板在不同开度下，高速度区域均集中在阀板上下两端；

(2) 对比同样开度下流体流经阀板表面时的速度，优化后的阀板表面的流经速度减小，所受冲刷减小；

a) 优化前(20°)

b) 优化后(20°)

c) 优化前(45°)

d) 优化后(45°)

e) 优化前(70°)

f) 优化后(70°)

g) 优化前(90°)

h) 优化后(70°)图6 不同阀板开度下优化前、后速度场分布

2.6 速度流线分析

以阀板开度20°(小开度)、45°(半开)、70°(大开度)、90°(全开)4个开度为例，分析优化前后的速度流线图，结果如图7所示。

a) 优化前(20°)

b) 优化后(20°)

c) 优化前(45°)

d) 优化后(45°)

e) 优化前(70°)

f) 优化后(70°)

g) 优化前(90°)

h) 优化后(90°)图7 不同阀板开度下优化前、后速度流线分布

由图7可得：

(1) 三偏心蝶阀在小开度下速度流线非常杂乱，所以易发生湍流及涡流，随着开度不断增大，流动逐渐趋于稳定；

(2) 在大开度下，对比分析可知，优化后的阀板周围流动稳定性更好。

2.7 流量系数对比

查阅阀门设计手册，可得三偏心蝶阀流量系数公式为：

(1)

式中,Kν—— 流量系数

Δp—— 进出口液体压力降

Q—— 阀门进口流量

G—— 介质比重，常温水取1

在流场数值模拟过程中，测得改进前后结构在不同开度下的流量，本研究设置固定压差为0.5 MPa，按式(1)计算得出改进前后蝶阀的流量系数如表1所示。

表1 流量系数表

由表1可知，在相同开度下，优化后结构的流量系数更大，且优化后结构在开度为70°(大开度)时的流量系数已经大于优化前结构在90°(全开)的流量系数，这表明：优化后的三偏心蝶阀流通能力有很大的提升，蝶阀内部的流动阻力有所减小，优化后的结构在实际应用中具有良好的性能优势[6-9]。

2.8 阻力特性试验的对比分析

在某阀门厂进行流阻特性对比试验平台的搭建，试验系统如图8所示。

图8 试验系统图

按如图8所示的试验系统进行完整的阻力特性试验后，得出改进前后的结构在不同开度下的流阻系数，如表2所示。

表2 流阻系数表

由表2可知，随着开度不断变大，流阻系数明显减小；同等开度下，优化结构的流阻系数小于优化前，试验结果表明：优化后结构的流阻系数更小，流通能力更强[10-13]。

3 结论

(1) 针对传统三偏心蝶阀的缺点，根据蝶阀设计原理，提出一种新型桁架过流式三偏心蝶阀结构，重点对其阀板进行结构优化，利用SolidWorks建立对应的三维模型；

(2) 对比分析云图与流量系数后得出：优化后的阀板在不同开度下，过流面处承受的压力变小，承压面所能承受的压力变大；三偏心蝶阀在小开度下速度流线非常杂乱，所以易发生湍流及涡流，随着开度不断增大，流动逐渐趋于稳定。在大开度下，优化后的阀板周围流动稳定性更好；

(3) 优化后的流量系数在不同开度下均大于优化前，优化后的三偏心蝶阀流通能力有很大的提升，蝶阀内部的流动阻力有所减小，改进后的蝶阀结构具有性能优势；

(4) 在流场模拟研究的基础上，开展流阻特性试验对比分析，得出优化后结构的流阻系数更小的结论，更好地证明了优化后结构的优势。