圖1 蝶閥結構示意圖

    目前，不少學者對蝶閥及其他結構閥門的流動特性進行了相關研究。Naseradinmousavi和Nat－建立了蝶閥的高精度模型，并分析了以電磁驅動的蝶閥閥門開啟和關閉過程，結果表明水動力矩在閥門啟閉過程中有很重要的作用；Leutwyler和Dalton研究了可壓縮流體在對稱蝶閥中的壓力及力矩特性；He等對閥門內流道中的三維復雜湍流流動的數值模擬作了深入研究；Song等利用基于有限元法（finite　element　method，FEM）計算流體動力學（computational　fluid　dynamics，CFD）軟件，提出了一種復雜結構的蝶閥的新工藝；Park和Song用數值方法研究了中心對稱蝶閥的三維流動特性；Chern和Wang運用CFD軟件STAR－CD分析了球閥中流動流場，通過模擬仿真得出了球閥的相關系數。上述的這些研究在流動計算方法上都對本文有一定的參考價值，但均未涉及流動壓力分布與閥板氣動力矩關系的探討。

    筆者以某燃氣設備進氣道上標準蝶閥為研究對象，以對蝶閥的開度控制為出發點，對其進行流場流動數值模擬，探討分析蝶閥壓力場、速度場等內部流場隨閥板開度變化的分布規律以及渦旋產生的原因，得出閥板的驅動力矩特性。

    1 網格劃分及邊界條件設置

    網格是CFD模型的幾何表達式，也是模擬與分析的載體，網格質量對CFD計算精度和計算效率有重要影響；邊界條件是在流體運動求解域邊界上控制方程應該滿足的條件，是數值計算中非常重要的影響因素。

    1.1 流場區域網格模型建立

    本文采用標準蝶閥為研究對象，其直徑D＝2m，管道長度L＝10D。為了能更好地查看閥板附近的流場，將整個CFD模型劃分為閥體和管道兩部分。網格劃分分別為：閥板附近的閥體流動空間局部采用四面體非結構網格；進出管道采用六面體結構網格。網格大小為1mm。圖2為閥板開度為40°時的網格模型，網格總數量約為1.3×10⁵。其他角度的網格模型與之類似，只是網格數量略有不同。

圖2 閥門開度為40°時的網格模型

    1.2 計算模型和邊界條件設定

    1）計算模型：氣體黏度極低，流場內平均流速不大于50m/s，流動狀態為不可壓縮流體湍流，選取標準k－ε湍流模型。近壁區采用標準壁面函數法，固壁面采用無滑移邊界條件。壓力和速度的耦合采用simple算法，離散格式全部采用二階迎風格式。

    2）流體參數：流體介質為空氣，其密度為1.225kg/m³，溫度為300K。

    3）邊界條件：進口設置為速度入口，入口速度為υ_in＝8m/s；出口設置為自由出流。

    2 流場分析理論控制方程

    在實際的數值求解過程中，需要將控制方程離散化才能滿足計算機的需要，將分析模型轉化為計算機可以計算求解的網格，然后在每個單元上施加離散化偏微分控制方程并求解，根據得到的數據可繪制流動分布圖。氣體在閥門及管道內流動是三維的，計算模型采用標準k－ε方程模型，遵循以下方程規律：

    1）不可壓縮流體連續性方程

        （1）

    2）不可壓縮湍流運動方程

        （2）

    3）標準k－ε方程

        （3）

    4）湍動能k的方程

        （4）

    5）耗散率ε的方程

        （5）

    式中，“—”代表對時間的平均值，“′”代表脈動值，ρ為流體密度，u_i為流體的速度分量，p為流體微元體上的壓強，μ為動力黏度，μ_t為湍動黏度，k為湍流動能，ε為耗散率。標準k－ε模式量綱一的常數：C_μ＝0.09，C_1ε＝1.44，C_2ε＝1.92，σ_k＝1.0，σ_ε＝1.3。

    3 數值計算及結果分析

    3.1 三維可視化模擬仿真

    筆者對蝶閥閥門開度為0°～90°時的模型進行了計算，部分角度的速度矢量圖、速度云圖以及壓力云圖如圖3～圖5所示。

    如圖3所示，當氣流繞流過閥板時產生明顯的渦旋。圖3（a）中，上游流體流經閥板上部開口區時，通流面積減小使流線密度增加，開口區內壓力遠低于來流壓力。由于流線不能轉折，流經上開口區的流體大部分沿開口流向下游，形成逐漸擴散的主流，該主流在下游流速降低壓力升高，致使其中部分流體在下游壓力作用下產生回流運動，而另一部分處于閥板外圓表面近壁層的流體，由于邊界層內黏滯阻力作用，流體質點在外圓表面近壁層內運動中耗損了大量的動能，于是在閥板背面邊緣點開始脫離主流，邊界層內的流體質點自上游不斷流來，脫流質點不斷聚集，從而形成脫流質點和回流質點初始渦旋。圖3（a）下部開口區，基本也有前述情況，不同的是下開口區發生脫流的行程較上開口區短，邊界層內黏滯阻力作用較弱，渦旋程度顯得微弱。在圖3（b）和（c），隨著開度增加，流線密集度減少，開口區內流速降低，渦旋程度逐漸減弱。

圖3 速度矢量圖

    由圖4所示，氣流在閥門上游管道內流動，呈現較穩定的狀態，而氣流在通過閥板時，由于鈍體繞流作用，流場開始變得紊亂，閥板背面上下處各產生一個渦流。當閥門開度較小時，閥門與管道間形成的縫隙較小，氣流經過閥板時，速度改變較大，渦流明顯。隨著閥門開度增加，閥板上下表面與氣流速度方向的夾角越小，有利于氣體的繞流，流場漸漸變得平穩，渦流減弱。

圖4 速度云圖

    如圖5所示，流道上游的正壓穩定，當氣流繞流過閥板時，閥板背面附近產生負壓，隨著閥門的開度的增大，負壓區逐漸擴大，閥內壓力逐漸減小，直到閥門開度為60°左右時，負壓區域開始變小，壓力變大，70°后壓力又逐漸減小，負壓區變大。通過對比分析圖4和圖5可知，產生上述現象的原因是：氣體繞流閥板產生渦旋，使得靠近渦旋中心處的氣體速度逐漸減小，而動壓與速度的平方成正比，從而使壓力明顯降低，并局部產生負壓，負壓區域隨著渦旋的減弱而變均勻，當渦旋逐漸消失時負壓區域也跟著縮小。

圖5 壓力云圖

    3.2 氣動力矩特性研究

    為了更好地求得閥門的氣動力矩特性，在其他條件不變的情況下，以壓力入口和壓力出口為邊界條件，對壓差為0.2、0.4和0.6MPa三種不同工況下的蝶閥再次進行模擬仿真。圖6所示為不同壓差下蝶閥達到最大氣動力矩時的流線圖。從圖6中可以看出：壓差越大，渦旋越強烈。這是因為在開度相同的條件下，壓差越大，開口區內流速就越高，相應地，該區壓力就越低，開口區閥板背面上部表面和脫流流線邊界內構成的區域近似為均壓區，其壓力與脫流流線邊界處的壓力相同；另一方面，隨著流速的增加，紊動程度增強，這使得回流向閥板背面區域靠近且回流總量增加，于是表現出渦旋程度隨壓差增加而變得強烈。

圖6 最大氣動力矩下（θ»70°時）的流線圖

    蝶閥開啟所需要的總操作力矩To＝T+T_f，其中，T為閥門的氣動力矩，T_f為閥門的摩擦力矩，而Tf隨閥門開度變化甚微，且筆者重點研究閥板的氣動力矩特性，因此忽略T_f。氣動力矩T（θ）表示在閥門打開一定角度θ，流體從閥門經過作用在閥板z軸上的扭矩大小，其計算公式為

        （6）

    式中，z為閥板圍繞轉動的軸線，i為閥板上網格節點數，n為網格節點總數，Fx為沿x方向對閥板的作用力，Fy為沿y方向對閥板的作用力，x為作用力Fy到z軸的距離，y為作用力Fx到z軸的距離。

    利用Fluent中Report工具求出閥門在不同開度時，對z軸的氣動力矩，具體操作如下：勾選力矩標簽，將力矩中心設置為（0，0，1），選中閥板前后兩個表面，得到力矩數據如圖7所示。其計算原理是：將每個網格面上的作用力繞力矩中心的力矩求矢量和。

圖7 氣動力矩曲線

    如圖7所示，蝶閥閥門從閉合到開啟過程中，隨著閥門開啟角度變大，力矩特性呈現單調遞增的規律，直到閥板偏轉70°時，正反閥板面對閥板軸的合力矩達到最大，之后蝶閥氣動力矩又開始單調遞減，90°時合力矩接近為零。另外，隨著壓差的增大，最大氣動力矩產生的位置相對于橫坐標逐漸向左移，即壓差為0.2MPa時最大氣動力矩產生在閥門開度74°附近，壓差為0.4MPa時發生在70°附近，壓差為0.6MPa時發生在65°附近。閥板增大的過程中，閥體與閥板之間形成的空隙以閥桿軸為中心，兩側呈現不同的狀態，閥板下側順著氣流方向而動，上側則逆著氣流方向旋轉，閥門兩側受到一個氣流力偶作用，對閥板形成一合力矩。結合圖5的壓力云圖可以看出，在閥門開啟的過程中，閥板上側正壓與負壓的壓差逐漸變大，則其受到的力矩逐漸變大，而下側所受到的壓差越來越小，則其力矩越來越小，那么合力矩必然會逐漸增加。當閥門增大到某個角度時，閥門所受合力矩達到最大，隨著閥板另一側的氣流反作用力逐漸增加，對閥門會形成一個反向作用力矩阻止閥門的開啟，繼續開啟閥門，反向力矩增加強度會大于正向力矩增加值，這時閥門所受氣動合力矩開始逐漸減小。筆者運用的仿真方法同樣適用于求得其他介質對閥板的驅動力矩，并得到相同的力矩規律。

    4 結論

    1）通過對蝶閥進行三維可視化模擬仿真，得出氣流在通過閥板時，由于鈍體繞流作用，氣流繞過閥板邊緣后發生邊界層分離，使閥板背面產生渦旋，從而產生負壓，并且隨著閥門開度增加，氣流速度改變減小，渦旋減弱，負壓區域也隨之變的均勻，氣流最大速度出現在氣流穿過閥板時的閥板背面。

    2）根據對閥門的氣動力矩的研究，得出在蝶閥開啟過程中，隨著閥板開度的增大，氣動合力矩逐漸減增加，直到閥板偏轉到70°左右時，合力矩達到最大值，隨著閥板開度繼續增大，閥門所受合力矩開始減小直至閥板偏轉至90°時，閥板兩側受到氣流對閥板軸力矩作用大小相等，方向相反，合力矩接近為零。