基于CFD的三偏心蝶阀的流场特性研究及优化.pdf

第 1 2期 2 0 1 5年 l 2月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 1 8 5 基于 C F D的三偏心蝶 阀的流场特性研究及优化 韩志杰， 刘恩福 ， 刘振宇， 刘阳阳 河北科技大学 机械工程学院， 河北 石家庄0 5 0 0 1 8 摘要 由于三偏心蝶阀结构的特殊性， 对其内部流场的流动性能进行了深入研究。建立了三偏心蝶阀的几何模型， 对其 内部流场进行模拟， 获得了阀门的流量系数、 流阻系数 ， 并分析了阀门的轴向偏心、 径向偏心和角度偏心与流量系数、 流 阻系数之 间的变化规律 ， 得知 角度偏心的数值大小与流通能力近似成反 比； 径向偏心值与阀 门流通能力近似成正比 ， 且 影响大于角度偏心； 而轴向偏心值对于阀门的流通能力几乎没有影响。采用正交试验法对三个偏心进行优化， 降低流阻 系数， 提高流量系数， 改善阀门流通性能。 关键词 三偏心蝶阀； C F D； 流量 系数 ； 流阻系数 ； 正交优化 中图分类号 T H1 6 ； T H 1 2 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 5 1 2 0 1 8 5 0 5 Re s e a r c h a n d Op t i mi z a t i o n o f F l o w Ch a r a c t e r i s t i c s o f Tr i Ec c e n t r i c Bu t t e r f l y Va l v e Ba s e d o n C FD H A N Z h i - j ie ， L I U E n - f u ， L I U Z h e n - y u ， L I U Y a n g y a n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， H e b e i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， He b e i S h i j i a z h u a n g 0 5 0 0 1 8 ， C h i n a Ab s t r a c t D u e t o t h e s p e c i a l s t r u c t u r e o f t r i - e c c e n t r i c b u t t e rfly v a l v e ，t h e flo w p e 咖r m n n c e o f i t s i n t e r i o r fl o w fi e l d w e r e s t u d i e d B a s e d o n t h e g e o m e t ri c m o d e l o f t ri- e c c e n t r ic b u t t e rfl y v a l v e ，t h e v a l v e ’ s flo w c o e f fic i e n t a n d flo w r e s i s t a n c e c o e f fi c ie n t w e r e o b t a i n e d b y s i mu l a t i n gt h e i n t e r i o r fl o w fie l d ． B e t w e e n t heflo w c a p a c i t y a n d t h e v alv e ’ s t h r e e o f f s e t s i n c l u d i n g a x i al， r a d i a l a n d ang t e ， t h e l a w s ofv i a r i a t i o r “ t h e a n g l e o f f s e t W as t h e i n v e r s e o ft h e flo w c apa c i t y o ft h e v a l v e app r o x i m a t e l y ； t h e r a d i a l o ffs e t W as t h e d i r e c t r a t i o o f flo w c apa c i t y oft h e v al v e ， and t h e i m p act w a s g r e at e r t h an t h e ang l e o ff s e t ； t h e axi a l o f f s e t h ad l i t t le e f f e c t o n t h e flo w c apaci t y oft h e v al v e ． T h e v a l v e ’ s t h r e e o ffs e t w e r e o p t i m iz e d b y o r t h o g o n a l t e s t ， and t h e r e s u l t s h o w e fl o w r e s is t anc e c o e f fic i e n t W as r e d u c e d ， flo w c o e ffic ie n t w as i n c r e ase d ． T h e flo w p e r m anc e oft h e v a l v e w a s i m pr o v e Ke y W o r d s Tr i - Ec c e n t r i c Bu t t e r fl y Va l v e ；CFD； Fl o w Co e ffi c i e n t ； F l o w Re s i s t a n c e Co e ffic i e n t ；Or t h o g o n a l Op fi mi - z a fi o n 1 引言 三偏心蝶阀独特的偏心结构， 使得蝶阀密封方式由线密封 转变为扭矩密封， 利用阀座密封面压实现零泄漏， 从根本上改善 了阀门的密封性能， 在工业生产各领域广泛应用。 现阶段， 国内可 测量蝶阀对流场各方面影响系数的设备极少， 且多采用传统的手 动测量和仪表测量的方式， 分析精度较低， 无法满足实际需求。 近 年来伴随现代化数值模拟技术的不断发展， 通过计算机进行数值 模拟的方式弥补了试验测量方法的不足， 不仅操作简便， 还可以 直观掌握阀门内部流场的详细情况，包括分离流场区域和速度、 压力分布情况等， 成为蝶阀流场分析的重要工具， 可指导阀门内 部流场改进， 进而指导阀门设计【11 。 目前， 在阀门内部流场研究领域 ， 文献圜 采用计算流体力学 方法对蝶阀的三维流场进行数值模拟和流噪声研究， 揭示了阀门 产生流噪声的主要原因。 文献 Ⅱ 用数值模拟技术和实验方法对 蝶阀内部流体的流通状况进行分析， 获得了流体速度及应力分布 情况。以上研究充分显示了C F D方法用于阀门设计的可行性， 但 并未对阀门具体流量特性做针对性研究。 此后， 文献呶寸 压力阀内 部流场及启闭特性进行了深入研究， 分析了阀门开度与气流的关 系。 文献【6 l 通过分析中心对称蝶阀的流场分布情况， 获得流量参数 与阀门开度的关系。提出阀门流量参数计算方法， 但该方法对于 三偏心蝶阀是否可行， 尚未得到验证。文献嗵 过对比分析， 给出 了三偏心蝶阀的三个偏心值与密封面摩擦力矩及阀杆扭矩间的 关系， 揭示了偏心值对阀门力学特性的影响趋势。 三偏心蝶阀的三个偏心决定了阀门结构的特殊性 ，其大小 来稿 日期 2 0 1 5 0 5 2 8 基金项 目 河北省 自然科学基金 1 4 9 6 1 8 1 1 D ； 石家庄市科技局项 目基金 1 4 1 0 8 1 1 9 1 A 作者简介 韩志杰 ， 1 9 8 0 - ， 男 ， 河北 藁城人 ， 博 士研究生， 讲师 ， 主要研究方向 结构分析及优化 1 8 8 机械 设 计 与制 造 No ． 1 2 De c ． 2 01 5 鲁 咖 偏心角 。 a 角度偏心与流量系数的关系曲线 偏心角 。 b 角度偏心与流阻系数 的关系曲线 图 7角度偏心对流量特性的影响 F i g ．7 T h e F l o w C h a r a c t e r i s t i c o n t h e A n g l e O f f s e t 根据流量系数和流阻系数的定义可知， 流量系数越大、 流阻 系数越小， 说明阀门的流通能力越强， 阀门性能越好。 根据三偏心 蝶阀的三个偏心与流量特l 生的变化曲线可以看出， 轴向偏心 发 生变化时， 流量系数与流阻系数变化较小， 说明轴向偏心 对三 偏心阀门的流量特性影响不大； 伴随径向偏心 b的减小， 阀门的 流量系数整体呈上升趋势， 流阻系数整体呈下降趋势， 说明径向 偏心 b越小， 阀门流量特性越好， 即径向偏心 b与阀门的流量特 性近似成反比。但是当径向偏心 b 过小时， 将无法体现径向偏心 的优势； 角度偏心 与阀门流通能力近似成反比。由曲线的变化 幅度可以看出三个偏心对流量特 的敏感程度， 当径向偏心 b变 化时， 阀门的流阻系数存在较明显差异， 相对于角度偏心 变化 时变化幅度大， 说明径向偏心 b对于阀门流通特性的影响大于角 度偏心 的影响。 6三偏心蝶阀参数优化的正交试验设计 基于三偏心蝶阀三个偏心参数对流量特性的影响，为了综 合考虑三个偏心值的共同作用，得到最优的三偏心蝶阀设计参 数， 使用正交试验法对阀门进行参数优化试验设计。正交试验又 称正交设计或多因素优选设计， 是利用正交性原理编制并标准化 的正交表， 合理规划试验方案 ， 对试验结果进行有效快速分析的 数理统计方法。正交试验的特点是用不太多的试验次数， 找出试 验因素的最佳水平组合。 6 ． 1确定正交试验的因素与水平 以三偏心蝶阀实体模型中的三个偏心作为正交试验的3 个因 素，以蝶阀在流体中的流量系数和流阻系数作为正交试验性能指 标。 以三偏心蝶阀的轴向偏心距a 1 4 O m m， 径向偏心距b 1 5 m m， 角 度偏 。 作为设计值， 在其变动范围内选取 4 4 - 7 K ， 选 L 4 s 正交表来规划试验方案。 其正交试验因素的水平表， 如表 2 所示。 表 2 正交试验因素水平表 Ta b ． 2 Th e O h o g o n a l F a c t o r L e v e l T a b l e 6 _ 2正交试验方案组合及分析 根据上述的试验因素水平表，列出除了三偏心蝶阀流通性 能正交试验的方案组合， 利用第 3部分三偏心蝶阀的流场特性分 析方法， 计算得到各试验方案的流量系数及流阻系数。试验方案 组合及各试验指标， 如表 3 所示。 表 3正交试验方案组合及计算结果 T a b ． 3 T h e O h o g o n a l Te s t S c h e me s Co mb i n a t io n a n d Re s u l t 由表 3的试验结果可以看出，三偏心蝶阀的流量系数与流 阻系数变化明显， 其中， 第 5号试验流量系数最大， 流阻系数最 小， 试验结果最好。但还需要采用极差分析对试验 5的试验参数 进行最优参数组合判断。 因流量系数与流阻系数计算得到的结果 具有同一性， 下面以流量系数为优化目标进行极差分析。A。 、 A 、 、A 分别表示三偏心蝶阀在每一水平下的流量系数均值，其极 差分析表， 如表 4 所示。从表 4的极差分析结果可知 三偏心蝶阀 的三个偏心因素对其流量系数和流阻系数影响的主次顺序相同， 其 中径向偏心的影响程度最大， 轴向偏心的影响程度最小； 但是在优 No ． 1 2 D e c ． 2 0 1 5 机 械 设 计 与 制 造 1 8 9 水平的选择中，对流量系数的最优选择组为 o t 2 b 组合 ，即 。 1 3 5 m m， b l l mm， p -- 4 ． 5 。 ， 而对流阻系数的最优选择组为 。 b 。 组 合，即 a 1 3 0 mm， b l l m m， p -- 4 ． 5 。 。考虑的三偏心蝶阀的设计要 求， 在保证其使用过程中无干涉 、 无泄漏， 并综合考虑各因素， 取 d 2 6 为最优。 表 4极差分析表 Ta b ． 4 Po o r An a l y s i s Ta b l e Al A 2 A 3 流量系数 A 极差 O ． 6 0 97 5 0 ．61 4 7 5 0 ． 6 1 07 5 0 ． 6 09 0 ． 6 0 9 5 O ． 0 o1 7 5 0 ．61 2 0 ． 6 0 65 0 ． 6 05 7 5 0 ． 0 o 9 0．6 0 7 7 5 O ．61 3 5 0．61 0 7 5 0 ．6 0 7 0 ．0 0 6 5 因素主测顺 序 轴向偏心 角度偏心妒 径向偏心b 优水平 Al A 2 A 流阻系数 A 极差 R 3 0 ． 9 6 3 5 3 0 ． 9 6 3 8 3 0 ．9 6 3 8 3 0 ．9 6 3 8 0．0 0 0 3 b l 3 0 ． 9 43 1 31 ． O 9 3 9 3 1 ．0 8 9 8 3 1 ． 0 41 8 0．4 5 0 8 2 3 0 ．9 6 3 7 3 1 ．O 51 6 31 ． 1 3 8 9 3 1 ． 0 3 8 5 0 ． 1 75 2 因素主次顺序 轴向偏心 角度偏心 妒 径向偏心 b 优水平 a l b l 2 根据最优组合中三偏心蝶阀的流量系数和流阻系数的结 果， 与初始设计参数的结果对比， 如表 5 所示。其中， 优化组合的 流量系数 比原设计值增加了 2 ％，流阻系数比原设计值降低了 6 ％。 因此 ， 在综合考虑三偏心蝶阀的三个偏心的在一定范围内的 变化的情况下， 构建若干组实验方案 ， 以阀门流通特性为优化 目 标， 保证流量系数最大和流阻系数最下的前提下， 获得了三个偏 心的最优组合方案， 使得阀门流通性能得以优化。 表 5优化前后的流通性能对比 T a b ． 5 Co mp ar i s o n t h e F l o w P e r f o r ma n c e Be f or e a n d Af t e r 0p t i mi z a t ion 7结论 1 对三偏心蝶阀内流场应用 Wo r k b e n c h F l u e n t 进行数值 模拟 ， 能够快速准确地获得阀门流量系数和流阻系数， 实现对设 计阀门的性能评价。 2 改变三偏心蝶阀的三个偏心数值大小 ， 通过对比分析得 出偏心值与阀门流通性能间的关系 轴向偏心值对于阀门的流通 能力几乎没有影响，径向偏心值与阀门流通能力近似成正比， 角 度偏心的数值大小与流通能力近似成反比， 径向偏心对于阀门流 通特陛的影响大于角度偏心的影响。 3 利用正交试验法对三偏心蝶阀的三个偏心在变动范围 内进行寻优 ， 可以快速确定最优设计参数组合， 该组合与设计值 相比， 降低流阻系数， 提高流量系数， 阀门流通性能得以提高。 参考文献 [ 1 ] 童成彪蝶 阀的优化设计和流场研究[ D ] _ 长沙 湖南大学， 2 0 1 0 ． T o n g C h e n g b i a o ． T h e o p t i m i z a t i o n d e s i g n a n d fl o w fi e l d a n a l y s i s f o r b u t t e r f l y v a l v e [ D ] ．C h a n g s h a H u n a n U n i v e r s i t y ， 2 0 1 0 ． [ 2 ] 吴石 ， 张文平． 阀门流场的数值模拟及流噪声的实验研究[ J ] ． 阀门， 2 0 0 5 1 7 一 l O ． Wu S h i ． Z h a n g We n- p i n g ．I v e r s i t o g a t e d n u me ri c a l l y o f fl o w越 e 1 d 0 f v a l v e s a n d e x p e ri m e n t a l s t u d y o f v a l v e - n o i s e [ J ] ． V al v e ， 2 0 0 5 1 7 1 0 ． [ 3 ] P a r k Y o u n g c h u ， S o n g X u e gna n ． N u m e ri c a l a n a l y s i s o f l a r g e d i a m e t e r b u t t e r fl y v a l v e [ J ] ．A d v a n c e s i n C o m p u t a t i o n a l A l g o ri t h m s a n d D a t a A n al - y s i s ． 2 0 0 9 1 4 3 4 9 3 6 3 ． [ 4 ]S ． K i m， J ．K i m， J ．C h o i ．T o p o l o g i c al fl o w c h ara c t e r i s t i c s i n a b u t t e rfly v a l v e u s e d f o r a s p ar ki g n i t i o n e n g i n e[ J ] J o u r n a l o f V i s u a l i z a t i o n ， 2 0 0 6 ， 9 3 2 91 - 2 9 9 ． [ 5 ] 王存堂， 刘志勇， 胡红波扃速透气阀压力阀流场分析及启闭特性研究 [ J ] ．机械设计与制造， 2 0 1 1 9 7 5 7 7 ． Wa n g C u n t a n g ， L i u Z h i y o n g ， H u Ho n g - b o ． F l o w fi e l d ana l y s i s a n d s t u d y o n t h e o p e n＆ s hu t c h ara c t e r i s t i c o f h i g h v e l o c i t y p r e s s u r e v a l v e o f a i r r e l i e f t y p e [ J ] ．M a c h i n e r y D e s i g n ＆M anu f a c t u r e ， 2 0 1 1 9 7 5 7 7 ． [ 6 ] 官洪儿蝶 阀与多板阀的内部流场数值模拟及结构静力分析[ D ] ． 沈阳 东北大学 ，2 0 1 0 ． G u a n Ho n g e r ．I n t e r i o r fl o w- f i e l d n u me r i c al s i mu l a t i o n a n d s t a t i c a n a l y s i s o f b u t t e rfly - v al v e a n d m u l t i - d i s c s v a l v e [ D ] ．S h e n y a n g N o r t h e a s - t e r n U n i v e r s i t y ， 2 0 1 0 ． [ 7 ] 凌晓． 三偏心蝶阀的力矩计算及结构优化[ D ] ． 兰州 兰州理工大学， 2 01 1 ． L i n g X i a o ．T h e t o r q u e c alc u l a t i o n a n d o p t i mal a n a l y s i s o n s t r u c t u r e o f t ri p l e e c c e n t ri c b u t t e rfly v a l v e [ D ] ．L a n z h o u L a n z h o u U n i v e r s i t y o f T e c h n - 0 1 o g y ， 2 0 1 1 ． [ 8 ] 李斌三 偏心金属密封蝶阀的结构特征及安全性分析[ J ] _ 中国仪器仪 表 ， 2 0 1 2 7 6 8 7 2 ． L i B i n ．T h e me c h a n i c al f e a t u r e s and s a f e t y o f t h e t h r e e t ri p l e o f f s e t me t al l i c s e alb u t t e r f l y v alv e [ J ] ． C h i n a h l s t r u me n t a t i o n 。 2 0 1 2 7 6 8 7 2 ． [ 9 ] A ． C r i v e l l i n i ， V ． D al e s s a n d r o ．S p al a r t - A l l m ar a s m o d e l a p p a r e n t t r a n s i t i o n a n d R A N S s i m u l a t i o n s o f l a mi n ar s e p a r a t i o n b u b b l e s o n a i r f o i l s l J ] ． I n t e rna t i o n a l J o u r n a l o f H e a t a n d F l u i d F l o w， 2 0 1 4 4 7 7 0 8 3 ． [ 1 0 ] Y．Na g a n o ．H． H a t t o r i ． I mp r o v e me n t o f a n L R N t w o - e q u a t i o n t u r b u l e n c e mo d e l r e fl e c t i n g mu h i t i me S C ale s[ J ] ． I n t e ma t i o n a l J o u r n a l o f He a t a n d nu i d F l o w。 2 0 1 5 5 1 2 2 1 2 2 8 ．