偏心蝶閥是管路系統(tǒng)中常用的調(diào)節(jié)閥，由于閥板的偏心，蝶閥在串聯(lián)工作時(shí)、在閥門(mén)不同的安裝角度下，閥板相對(duì)位置的不同可能會(huì)使其流動(dòng)特性有所不同。在同等條件下，降低管路系統(tǒng)的阻力損失，可以使得通過(guò)管路的冷卻水流量增加，從而更加有效地達(dá)到節(jié)能降耗的效果。因此研究蝶閥不同串聯(lián)方式對(duì)流動(dòng)阻力的影響，對(duì)優(yōu)化管路設(shè)計(jì)是很有參考意義的。

    閥門(mén)的流阻特性以往主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)求得。閥門(mén)內(nèi)部的流動(dòng)情況比較復(fù)雜，試驗(yàn)只能得到閥門(mén)流動(dòng)的整體阻力特性，而無(wú)法反映流動(dòng)的細(xì)節(jié)。隨著計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，用數(shù)值計(jì)算的方法得到閥門(mén)的流阻特性已經(jīng)成為可能。與實(shí)驗(yàn)方法相比，用計(jì)算流體力學(xué)對(duì)閥門(mén)的流動(dòng)情況進(jìn)行模擬不僅簡(jiǎn)便易行，而且還可以了解閥門(mén)內(nèi)部流場(chǎng)的詳細(xì)情況，如壓力流速分布、分離流動(dòng)區(qū)域等，對(duì)于指導(dǎo)閥門(mén)的設(shè)計(jì)、改善其流動(dòng)狀況、減小流動(dòng)阻力具有重要意義。

    本文所模擬的對(duì)象為某船舶循環(huán)水系統(tǒng)中所采用的偏心蝶閥。考慮邊界條件的給定，計(jì)算中加長(zhǎng)了計(jì)算域，將蝶閥前加長(zhǎng)2倍的管路直徑，蝶閥后加長(zhǎng)5倍的管路直徑進(jìn)行計(jì)算。給定速度進(jìn)口和出口壓力邊界條件?？紤]到所模擬的蝶閥及管路系統(tǒng)流動(dòng)基本都處于湍流狀態(tài)，一般在計(jì)算區(qū)域的邊界要求給定湍流參數(shù)。

    基本湍流參數(shù)的計(jì)算方法為：

    湍流強(qiáng)度I：

   
     式中　

    ———湍流脈動(dòng)速度與平均速度，m/s

    Re_DH———按水力直徑DH計(jì)算得到的Reynolds數(shù)

    對(duì)于圓管直徑，水力直徑D_H等于圓管直徑，對(duì)于其他幾何形狀，按等效水力直徑確定。湍流長(zhǎng)度l計(jì)算式為：

   
    式中　

    L———關(guān)聯(lián)尺寸，對(duì)于充分發(fā)展的湍流，可取L等于水力直徑

    計(jì)算中選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程湍流模型，計(jì)算方法采用segregate分離式方法，湍流動(dòng)能、湍流耗散項(xiàng)、動(dòng)量方程的對(duì)流項(xiàng)都采用二階迎風(fēng)格式離散；用SIMPLE算法求解壓力和速度的耦合關(guān)系。壁面采用無(wú)滑移邊界條件，標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。工作介質(zhì)為水。

一、計(jì)算結(jié)果及分析

    1、單蝶閥數(shù)值模擬結(jié)果

    根據(jù)計(jì)算結(jié)果，該偏心蝶閥的壓差隨著流量的變化趨勢(shì)如圖1所示。

圖1 蝶閥阻力損失與流量關(guān)系曲線

    偏心蝶閥上下管壁距離不等，造成上下壓力與流通面積都與普通蝶閥不等，從而加強(qiáng)了閥后的旋渦流動(dòng)，因而其阻力損失要比不偏心時(shí)的要大一些。因此在相同流量條件下，偏心蝶閥的壓差比普通蝶閥的壓差要大一些。

    圖2為流量5×106kg/h時(shí)中心截面處的速度分布圖。

圖2 蝶閥中心截面速度云圖

    從圖中可看出，在繞流閥板時(shí)，由于閥板背面存在局部低壓區(qū)域，在閥板背部出現(xiàn)了低壓回流區(qū)，產(chǎn)生流動(dòng)分離。

    將模擬結(jié)果所得的阻力損失進(jìn)行計(jì)算，得出蝶閥的阻力系數(shù)，與使用單位提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比吻合較好，說(shuō)明數(shù)值計(jì)算的正確性。

    2、偏心蝶閥不同串聯(lián)方式的模擬結(jié)果

    由于偏心蝶閥的閥板不在管路的正中心，相鄰閥板的不同位置必然引起流場(chǎng)的差異。因此對(duì)相鄰偏心蝶閥在不同布置角度時(shí)進(jìn)行數(shù)值模擬可以揭示其整體阻力特性的變化，為在安裝施工時(shí)盡可能降低整個(gè)管路系統(tǒng)的阻力特性提供依據(jù)。計(jì)算模型選取為相鄰蝶閥閥板角度為0°、30°、45°6、0°、90°、135°和180°時(shí)共7種方案進(jìn)行計(jì)算。圖3為不同角度蝶閥布置時(shí)的部分示意圖。計(jì)算中對(duì)兩個(gè)蝶閥之前取2倍的管徑，蝶閥后取5倍的管徑進(jìn)行二階計(jì)算。通過(guò)對(duì)不同角度布置的兩個(gè)蝶閥的計(jì)算，得出其阻力損失如圖4所示。

    由圖可知，在相鄰蝶閥不同的布置角度下，其整體阻力特性相差不大，最大僅為3.5%。說(shuō)明相鄰偏心蝶閥的布置對(duì)阻力影響不大。從流動(dòng)阻力特性方面考慮，相鄰蝶閥可以根據(jù)實(shí)際情況靈活布置，其流動(dòng)阻力不會(huì)有大的差別。

    從圖5～8可看出流體繞流兩個(gè)串聯(lián)偏心蝶閥的流動(dòng)特性。流體進(jìn)入第一個(gè)蝶閥，繞流閥板，在閥板背部出現(xiàn)了低壓回流區(qū)，如圖5所示。

圖3　相鄰蝶閥不同角度布置示意

圖4 相鄰蝶閥不同布置角度下的阻力損失比較

圖5　蝶閥一軸向垂直切面速度矢量

    閥板上方越過(guò)的流體部分向下流，從閥板下方流過(guò)的流體部分折向下流，在繞過(guò)閥板邊緣后形成兩個(gè)大小相等，方向相反的漩渦如圖6所示。

圖6　蝶閥一后軸向垂直切面速度矢量

    漩渦向下游發(fā)展過(guò)程中，尚未消失，又進(jìn)入第二個(gè)蝶閥。

    從圖7可見(jiàn)，該截面上不僅有上游傳遞的渦旋，還有繞流該閥板時(shí)在閥軸尖角處產(chǎn)生的渦旋。

圖7 蝶閥二軸向垂直切面速度矢量

    隨著流體向下游發(fā)展，繞過(guò)閥板以后，繞流第一個(gè)蝶閥產(chǎn)生的漩渦逐漸減弱，繞流第二個(gè)閥板后產(chǎn)生的漩渦迅速發(fā)展，也形成強(qiáng)渦流，如圖8所示。

圖8 蝶閥二后軸向垂直切面速度矢量

    流體的機(jī)械能主要被這些漩渦消耗。在向下游的過(guò)程中，漩渦逐漸減弱，直至消失到流動(dòng)平穩(wěn)狀態(tài)。

二、結(jié)語(yǔ)

1、相鄰偏心蝶閥不同的安裝角度對(duì)其整體的阻力損失影響不大，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況靈活布置。

2、采用數(shù)值計(jì)算方法，能清楚地得到蝶閥內(nèi)部的流動(dòng)特性和阻力特性，為蝶閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)；