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

    閥門的流阻特性以往主要通過實驗求得。閥門內部的流動情況比較復雜，試驗只能得到閥門流動的整體阻力特性，而無法反映流動的細節(jié)。隨著計算流體力學和計算機技術的發(fā)展，用數(shù)值計算的方法得到閥門的流阻特性已經(jīng)成為可能。與實驗方法相比，用計算流體力學對閥門的流動情況進行模擬不僅簡便易行，而且還可以了解閥門內部流場的詳細情況，如壓力流速分布、分離流動區(qū)域等，對于指導閥門的設計、改善其流動狀況、減小流動阻力具有重要意義。

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

    基本湍流參數(shù)的計算方法為：

    湍流強度I：

   
     式中　

    ———湍流脈動速度與平均速度，m/s

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

    對于圓管直徑，水力直徑D_H等于圓管直徑，對于其他幾何形狀，按等效水力直徑確定。湍流長度l計算式為：

   
    式中　

    L———關聯(lián)尺寸，對于充分發(fā)展的湍流，可取L等于水力直徑

    計算中選取標準k-ε兩方程湍流模型，計算方法采用segregate分離式方法，湍流動能、湍流耗散項、動量方程的對流項都采用二階迎風格式離散；用SIMPLE算法求解壓力和速度的耦合關系。壁面采用無滑移邊界條件，標準壁面函數(shù)。工作介質為水。

一、計算結果及分析

    1、單蝶閥數(shù)值模擬結果

    根據(jù)計算結果，該偏心蝶閥的壓差隨著流量的變化趨勢如圖1所示。

圖1 蝶閥阻力損失與流量關系曲線

    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，從而加強了閥后的旋渦流動，因而其阻力損失要比不偏心時的要大一些。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，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)生流動分離。

    將模擬結果所得的阻力損失進行計算，得出蝶閥的阻力系數(shù)，與使用單位提供的試驗數(shù)據(jù)相比吻合較好，說明數(shù)值計算的正確性。

    2、偏心蝶閥不同串聯(lián)方式的模擬結果

    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的差異。因此對相鄰偏心蝶閥在不同布置角度時進行數(shù)值模擬可以揭示其整體阻力特性的變化，為在安裝施工時盡可能降低整個管路系統(tǒng)的阻力特性提供依據(jù)。計算模型選取為相鄰蝶閥閥板角度為0°、30°、45°6、0°、90°、135°和180°時共7種方案進行計算。圖3為不同角度蝶閥布置時的部分示意圖。計算中對兩個蝶閥之前取2倍的管徑，蝶閥后取5倍的管徑進行二階計算。通過對不同角度布置的兩個蝶閥的計算，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%。說明相鄰偏心蝶閥的布置對阻力影響不大。從流動阻力特性方面考慮，相鄰蝶閥可以根據(jù)實際情況靈活布置，其流動阻力不會有大的差別。

    從圖5～8可看出流體繞流兩個串聯(lián)偏心蝶閥的流動特性。流體進入第一個蝶閥，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

    閥板上方越過的流體部分向下流，從閥板下方流過的流體部分折向下流，在繞過閥板邊緣后形成兩個大小相等，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)展過程中，尚未消失，又進入第二個蝶閥。

    從圖7可見，該截面上不僅有上游傳遞的渦旋，還有繞流該閥板時在閥軸尖角處產(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，繞過閥板以后，繞流第一個蝶閥產(chǎn)生的漩渦逐漸減弱，繞流第二個閥板后產(chǎn)生的漩渦迅速發(fā)展，也形成強渦流，如圖8所示。

圖8 蝶閥二后軸向垂直切面速度矢量

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

二、結語

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

2、采用數(shù)值計算方法，能清楚地得到蝶閥內部的流動特性和阻力特性，為蝶閥的結構優(yōu)化提供依據(jù)；