蝶阀作为一种用来实现管路系统通断及流量控制的部件，广泛应用于石油、化工、给水排水以及能源等系统管路上，适用气体、液体、半流体和固体粉 末等。图1所示为某蝶阀的结构示意图。圆形阀板安装于管道的直径方向，作为启闭件随着阀板轴转动来实现对阀门的开度控制。阀板在任意角度时，阀板两侧承受了流体的分布压强，其合力形成了对阀板的作用力矩。随阀板角度不同，压强分布随之变动，于是作用力矩也就变动。因此，阀板的压强分布及阀板上的作用力矩研究，对蝶阀实现流体流量控制有着重要的意义。

图1 蝶阀结构示意图

    目前，不少学者对蝶阀及其他结构阀门的流动特性进行了相关研究。Naseradinmousavi和Nat－建立了蝶阀的高精度模型，并分析了以电磁驱动的蝶阀阀门开启和关闭过程，结果表明水动力矩在阀门启闭过程中有很重要的作用；Leutwyler和Dalton研究了可压缩流体在对称蝶阀中的压力及力矩特性；He等对阀门内流道中的三维复杂湍流流动的数值模拟作了深入研究；Song等利用基于有限元法（finite　element　method，FEM）计算流体动力学（computational　fluid　dynamics，CFD）软件，提出了一种复杂结构的蝶阀的新工艺；Park和Song用数值方法研究了中心对称蝶阀的三维流动特性；Chern和Wang运用CFD软件STAR－CD分析了球阀中流动流场，通过模拟仿真得出了球阀的相关系数。上述的这些研究在流动计算方法上都对本文有一定的参考价值，但均未涉及流动压力分布与阀板气动力矩关系的探讨。

    笔者以某燃气设备进气道上标准蝶阀为研究对象，以对蝶阀的开度控制为出发点，对其进行流场流动数值模拟，探讨分析蝶阀压力场、速度场等内部流场随阀板开度变化的分布规律以及涡旋产生的原因，得出阀板的驱动力矩特性。

    1 网格划分及边界条件设置

    网格是CFD模型的几何表达式，也是模拟与分析的载体，网格质量对CFD计算精度和计算效率有重要影响；边界条件是在流体运动求解域边界上控制方程应该满足的条件，是数值计算中非常重要的影响因素。

    1.1 流场区域网格模型建立

    本文采用标准蝶阀为研究对象，其直径D＝2m，管道长度L＝10D。为了能更好地查看阀板附近的流场，将整个CFD模型划分为阀体和管道两部分。网格划分分别为：阀板附近的阀体流动空间局部采用四面体非结构网格；进出管道采用六面体结构网格。网格大小为1mm。图2为阀板开度为40°时的网格模型，网格总数量约为1.3×10⁵。其他角度的网格模型与之类似，只是网格数量略有不同。

图2 阀门开度为40°时的网格模型

    1.2 计算模型和边界条件设定

    1）计算模型：气体黏度极低，流场内平均流速不大于50m/s，流动状态为不可压缩流体湍流，选取标准k－ε湍流模型。近壁区采用标准壁面函数法，固壁面采用无滑移边界条件。压力和速度的耦合采用simple算法，离散格式全部采用二阶迎风格式。

    2）流体参数：流体介质为空气，其密度为1.225kg/m³，温度为300K。

    3）边界条件：进口设置为速度入口，入口速度为υ_in＝8m/s；出口设置为自由出流。

    2 流场分析理论控制方程

    在实际的数值求解过程中，需要将控制方程离散化才能满足计算机的需要，将分析模型转化为计算机可以计算求解的网格，然后在每个单元上施加离散化偏微分控制方程并求解，根据得到的数据可绘制流动分布图。气体在阀门及管道内流动是三维的，计算模型采用标准k－ε方程模型，遵循以下方程规律：

    1）不可压缩流体连续性方程

        （1）

    2）不可压缩湍流运动方程

        （2）

    3）标准k－ε方程

        （3）

    4）湍动能k的方程

        （4）

    5）耗散率ε的方程

        （5）

    式中，“—”代表对时间的平均值，“′”代表脉动值，ρ为流体密度，u_i为流体的速度分量，p为流体微元体上的压强，μ为动力黏度，μ_t为湍动黏度，k为湍流动能，ε为耗散率。标准k－ε模式量纲一的常数：C_μ＝0.09，C_1ε＝1.44，C_2ε＝1.92，σ_k＝1.0，σ_ε＝1.3。

    3 数值计算及结果分析

    3.1 三维可视化模拟仿真

    笔者对蝶阀阀门开度为0°～90°时的模型进行了计算，部分角度的速度矢量图、速度云图以及压力云图如图3～图5所示。

    如图3所示，当气流绕流过阀板时产生明显的涡旋。图3（a）中，上游流体流经阀板上部开口区时，通流面积减小使流线密度增加，开口区内压力远低于来流压力。由于流线不能转折，流经上开口区的流体大部分沿开口流向下游，形成逐渐扩散的主流，该主流在下游流速降低压力升高，致使其中部分流体在下游压力作用下产生回流运动，而另一部分处于阀板外圆表面近壁层的流体，由于边界层内黏滞阻力作用，流体质点在外圆表面近壁层内运动中耗损了大量的动能，于是在阀板背面边缘点开始脱离主流，边界层内的流体质点自上游不断流来，脱流质点不断聚集，从而形成脱流质点和回流质点初始涡旋。图3（a）下部开口区，基本也有前述情况，不同的是下开口区发生脱流的行程较上开口区短，边界层内黏滞阻力作用较弱，涡旋程度显得微弱。在图3（b）和（c），随着开度增加，流线密集度减少，开口区内流速降低，涡旋程度逐渐减弱。

图3 速度矢量图

    由图4所示，气流在阀门上游管道内流动，呈现较稳定的状态，而气流在通过阀板时，由于钝体绕流作用，流场开始变得紊乱，阀板背面上下处各产生一个涡流。当阀门开度较小时，阀门与管道间形成的缝隙较小，气流经过阀板时，速度改变较大，涡流明显。随着阀门开度增加，阀板上下表面与气流速度方向的夹角越小，有利于气体的绕流，流场渐渐变得平稳，涡流减弱。

图4 速度云图

    如图5所示，流道上游的正压稳定，当气流绕流过阀板时，阀板背面附近产生负压，随着阀门的开度的增大，负压区逐渐扩大，阀内压力逐渐减小，直到阀门开度为60°左右时，负压区域开始变小，压力变大，70°后压力又逐渐减小，负压区变大。通过对比分析图4和图5可知，产生上述现象的原因是：气体绕流阀板产生涡旋，使得靠近涡旋中心处的气体速度逐渐减小，而动压与速度的平方成正比，从而使压力明显降低，并局部产生负压，负压区域随着涡旋的减弱而变均匀，当涡旋逐渐消失时负压区域也跟着缩小。

图5 压力云图

    3.2 气动力矩特性研究

    为了更好地求得阀门的气动力矩特性，在其他条件不变的情况下，以压力入口和压力出口为边界条件，对压差为0.2、0.4和0.6MPa三种不同工况下的蝶阀再次进行模拟仿真。图6所示为不同压差下蝶阀达到最大气动力矩时的流线图。从图6中可以看出：压差越大，涡旋越强烈。这是因为在开度相同的条件下，压差越大，开口区内流速就越高，相应地，该区压力就越低，开口区阀板背面上部表面和脱流流线边界内构成的区域近似为均压区，其压力与脱流流线边界处的压力相同；另一方面，随着流速的增加，紊动程度增强，这使得回流向阀板背面区域靠近且回流总量增加，于是表现出涡旋程度随压差增加而变得强烈。

图6 最大气动力矩下（θ»70°时）的流线图

    蝶阀开启所需要的总操作力矩To＝T+T_f，其中，T为阀门的气动力矩，T_f为阀门的摩擦力矩，而Tf随阀门开度变化甚微，且笔者重点研究阀板的气动力矩特性，因此忽略T_f。气动力矩T（θ）表示在阀门打开一定角度θ，流体从阀门经过作用在阀板z轴上的扭矩大小，其计算公式为

        （6）

    式中，z为阀板围绕转动的轴线，i为阀板上网格节点数，n为网格节点总数，Fx为沿x方向对阀板的作用力，Fy为沿y方向对阀板的作用力，x为作用力Fy到z轴的距离，y为作用力Fx到z轴的距离。

    利用Fluent中Report工具求出阀门在不同开度时，对z轴的气动力矩，具体操作如下：勾选力矩标签，将力矩中心设置为（0，0，1），选中阀板前后两个表面，得到力矩数据如图7所示。其计算原理是：将每个网格面上的作用力绕力矩中心的力矩求矢量和。

图7 气动力矩曲线

    如图7所示，蝶阀阀门从闭合到开启过程中，随着阀门开启角度变大，力矩特性呈现单调递增的规律，直到阀板偏转70°时，正反阀板面对阀板轴的合力矩达到最大，之后蝶阀气动力矩又开始单调递减，90°时合力矩接近为零。另外，随着压差的增大，最大气动力矩产生的位置相对于横坐标逐渐向左移，即压差为0.2MPa时最大气动力矩产生在阀门开度74°附近，压差为0.4MPa时发生在70°附近，压差为0.6MPa时发生在65°附近。阀板增大的过程中，阀体与阀板之间形成的空隙以阀杆轴为中心，两侧呈现不同的状态，阀板下侧顺着气流方向而动，上侧则逆着气流方向旋转，阀门两侧受到一个气流力偶作用，对阀板形成一合力矩。结合图5的压力云图可以看出，在阀门开启的过程中，阀板上侧正压与负压的压差逐渐变大，则其受到的力矩逐渐变大，而下侧所受到的压差越来越小，则其力矩越来越小，那么合力矩必然会逐渐增加。当阀门增大到某个角度时，阀门所受合力矩达到最大，随着阀板另一侧的气流反作用力逐渐增加，对阀门会形成一个反向作用力矩阻止阀门的开启，继续开启阀门，反向力矩增加强度会大于正向力矩增加值，这时阀门所受气动合力矩开始逐渐减小。笔者运用的仿真方法同样适用于求得其他介质对阀板的驱动力矩，并得到相同的力矩规律。

    4 结论

    1）通过对蝶阀进行三维可视化模拟仿真，得出气流在通过阀板时，由于钝体绕流作用，气流绕过阀板边缘后发生边界层分离，使阀板背面产生涡旋，从而产生负压，并且随着阀门开度增加，气流速度改变减小，涡旋减弱，负压区域也随之变的均匀，气流最大速度出现在气流穿过阀板时的阀板背面。

    2）根据对阀门的气动力矩的研究，得出在蝶阀开启过程中，随着阀板开度的增大，气动合力矩逐渐减增加，直到阀板偏转到70°左右时，合力矩达到最大值，随着阀板开度继续增大，阀门所受合力矩开始减小直至阀板偏转至90°时，阀板两侧受到气流对阀板轴力矩作用大小相等，方向相反，合力矩接近为零。