大口径三偏心蝶阀关闭过程内部流场动态仿真

2024年6月14日发(作者：)

42  第47卷第10期

doi：10.3969/.1005-0329.2019.10.008

流 体 机 械

2019年10月

大口径三偏心蝶阀关闭过程内部流场动态仿真

刘 惺，何庆中，赵献丹，王 佳，廖伯权

（四川轻化工大学 机械工程学院，四川宜宾 644000）

摘 要：为了给大口径三偏心蝶阀的设计与选型提供一定的技术支撑，针对某水电站使用的DN3400大口径三偏心蝶阀在

关闭过程中流场不稳定问题，文章采用FLUENT动网格与用户自定义函数UDF相结合，分析出了三偏心蝶阀的内部流场

变化规律以及不同关阀速度对碟板的动水压强的变化规律。结果表明，蝶阀在关闭过程中其内部流场从稳流转变为湍流，

且随着阀门关闭过程的进行，涡街效应逐渐增大；此外，适当的关阀速度能够有效的减小动水压强，特别是6 s

＜

t＜

10 s时，

动水压强相比4 s时减小30%左右。

关键字：三偏心蝶阀；动网格；关闭特性；动水压强；涡街效应

中图分类号：TH138 文献标志码：A

Dynamic Simulation of Internal Flow Field in Closing Process of Large Diameter Tri-eccentric

Butterfly Valve

Liu Xing，He Qingzhong，Zhao Xiandan，Wang Jia，Liao Boquan

（Sichuan University of Science & Engineering，Yibin 644000，China）

Abstract：In order to provide a technical support for the design of hydraulic system and type selection of hydraulic components for 

large-diameter tri-eccentric butterfly valves，in view of the unstable flow field of DN3400 large-diameter tri-eccentric butterfly 

valves used in a hydropower station in the closing process，by combining the FLUENT dynamic grids with user-defined function 

UDF，the variation law of internal flow field was analyzed and variation law of hydrodynamic pressure of disc plate with different 

closing speed was also discussed. The results show that the internal flow field of the butterfly valve changes from steady flow to 

turbulent flow during the closing process，and the vortex street effect increases gradually with the closing process of the valve. In 

addition，the appropriate closing speed can effectively reduce hydrodynamic pressure，especially，when 6 s<

t

<10 s，hydrodynamic 

pressure is reduced by about 30% compared with 4 s.

Key words：tri-eccentric butterfly valve；dynamic mesh；closing characteristics；hydrodynamic pressure；vortex street effect

0 引言

进水主控阀门是水力发电中关键的子系统，

中小型水电站的主控阀门一般使用大口径蝶阀或

大型球阀

［1］

。由于蝶阀在加工制造以及密封性

等方面相对球阀都有一定的优势，使得大型蝶阀

使用较为普遍。进水主控蝶阀控制着整个机组的

进水量，通过阀门的水流量很大，相应的阀门重量

和体积也较大，复杂的工况决定了其实验条件苛

刻、实验成本较高；特别是在阀门关闭过程中开度

的变化，管道内动水压力升值，引起压力脉动、流

速突变，促使蝶阀受到较大的峰值应力

［2-3］

。但

收稿日期： 2019-01-15 修稿日期： 2019-08-28

随着数值模拟技术和湍流数学模型理论的发展，

通过优化的手段可以使得阀门的可靠性、稳定性

等得到相应的提高。

目前，较多的科研工作者结合具体的工程问

题，对阀门的启闭特性做了较为深入的研究；例

如，郑丽等

［4］

针对减压器关闭过程中的动态仿

真，描述了关闭过程中减压器内压力和速度的变

化过程；魏光新等

［5］

对高扬程、大流量液控蝶阀

的水力特性做了试验研究，得出不同速度阀门受

到的最大压力时间；刘玉聪等

［6］

对三偏心蝶阀开

启过程中涡街的现象进行了仿真分析，得出随着

开启行程的增加，涡流长度先增加后缓慢减小，最

基金项目： 四川省教育厅创新团队项目（17TD0026）；四川理工学院研究生创新基金项目（y2018029）

刘惺，等：大口径三偏心蝶阀关闭过程内部流场动态仿真

43

终消失。因此，在前期科研工作者理论基础上，并

结合大口径三偏心蝶阀已有的开启特性，为更加

优化与完善大口径三偏心的启闭特性，本文利用

计算流体力学（CFD）、FLUENT动网格技术和用

户自定义函数（UDF）的数值分析方法，通过模拟

主控蝶阀不同关闭速度的流场特性，从流体压力、

速度和动水压强等激励方面协同考虑，优化大口

径三偏心蝶阀的关闭速度，从而为大口径主控蝶

阀执行器的设计与选型提供一定的参考。

1 数学模型

1.1

三偏心蝶阀的工作原理如图

物理模型

1所示，即在中

线蝶阀的基础上增加了3个偏心值（

c

，

e

，

β

），

c

为

蝶板的回转中心与阀座密封面中心线之间的偏

心距离，

e

为蝶板的回转中心与蝶板中心的偏心

距离，

β

为密封锥面中心线与阀体轴向中心线之间

的夹角，其值一般取2°～4°。与中线、单偏心和

双偏心蝶阀相比，三偏心蝶阀在机械磨损、密封性

能、使用寿命、耐热耐腐蚀等方面都有其明显的

优势

［7-8］

。

图1 三偏心蝶阀设计原理

某公司设计的DN 3400大口径三偏心蝶阀

的结构如图2所示。

图2 大口径三偏心蝶阀结构

其主要由阀体、碟板、阀轴以及液压缸等部件

组成，阀轴与碟板通过销钉连接实现轴向和周向

固定；驱动液压缸的伸缩，从而带动阀轴、阀杆做

旋转运动，

1.2

以实现蝶阀的开启与关闭。

根据

网格划分

DN 3400大口径三偏心蝶阀的结构特征、

边界条件等，得出其具有平面对称特性，并为了减

轻流场的分析计算量，利用Geometry建立二维平

面模型。因避免回流、压力以及速度对计算精度

的影响，在蝶阀的进出口分别增加了7~10倍管

径

［9］

。此外，由于碟板的转动促使网格产生大变

形，为保证求解过程中网格不产生负体积，模型采

用三角形非结构性单元。图3示出大口径三偏心

蝶阀初始网格划分，其中网格数为177 825个，网

格节点为95 212个，网格的平均质量为0.93 495，

满足计算要求。

图3 流体区域网格

1.3

流场中当雷诺系数

数值计算方法及边界条件

［10］

大于某一临界值时，流

体会产生无序的混流，通过分析三偏心蝶阀管道

中流体的属性和蝶阀关闭过程中流速变化情况，

文章采用

k

-ε二次方程湍流模型

［11］

和SIMPLE

算法

［12］

。通过三偏心蝶阀实际工况，设置进口

压力35 kPa，出口压力0，流体介质为20 ℃水（密

度为998.2 kg/m

3

，动力黏度为1.003×10

-3

同时，为了模拟三偏心蝶阀的匀速关闭过程，

Pa·s）。

碟

板运动边界条件，

CG_MOTION

通过用户自定义函数DEFINE_

点为（0，-55）

进行碟板旋转速度的定义，

从而实现非定常流场问题的求解，

转动原

不同关闭时间下关闭速度及时间步见表1，其余

采用默认边界条件。

表1 关闭速度及对应时间

类别数值

旋转时间/s4681012

旋转速度

-1

/

（rad·s）

0.392 60.261 80.196 30.157 10.130 9

时间步/步4006008001 0001 200

注：时间步长为0.01 s

1.4

三偏心蝶阀的关闭过程是通过控制碟板的绕

动网格理论

44FLUID MACHINERYVol. 47，No.10，2019

轴线的旋转运动来实现，其内部流场区域会因此

而改变，因此借助FLUENT软件中的动网格技术

来完成。动网格技术是通过计算前给定网格的

初始定义，在计算过程中发生边界变形后，通过

Γ

——扩散系数；

A

——控制体的面积向量；

S

φ

——

φ

的源相。

2 计算结果与分析

对DN3400大口径三偏心蝶阀的流场进行了

二维湍流非定常数值

［16］

模拟计算，通过设定不同

的关闭时间，得出蝶阀在实际关闭过程中，其内部

流场的变化规律往往会因关闭速度不同，促使蝶

阀动水压力的变化，而最高的动水压力出现在了

较快的关闭速度条件下。

2.1 三偏心蝶阀关闭过程流场分析

蝶阀在匀速关闭状态下，得到内部流场的瞬

态特性，以关闭时间为8 s为例，对其进行不同时

刻和不同开度下的流场进行分析。图4示出关

闭速度0.196 3 rad/s时，1，3，5，7 s所对应的压力

云图。

FLUENT软件内部对网格进行重整化，使得变形

的网格质量符合计算要求。在动网格更新方面，

由于蝶阀旋转促使网格扭曲率较大，易出现负体

积，因此选用弹簧近似光滑法、动态分层法和局部

网格重划法

［13-14］

3种方法中的第3种。当检测

到运动边界相连的网格高度或者扭曲率达到阀值

时，动态分层法即开始对局部网格进行重新划分。

动网格计算方法同样遵循守恒方程，任意控制体

［15］

V

上标量

φ

的积分形式的守恒方程

为：

d

∫

ρφ

d

V

+

∂

∫

V

ρφ

u

−

u

g

d

A

=

∂

∫

V

Γ

∆

φ

d

A

+

V

∫

S

φ

d

V

d

t

V

()

式中

u

——流速向量；

u

g

——动网格速度向量；

（1）

图4 关闭速度0.196 3 rad/s时不同时间点蝶阀的压力分布

从图4中可以看出：（1）开度较大时，压力中可以看出，流体在碟板前端，流动方向发生突

从开始的31.8 kPa缓慢下降到出口压力，特别是变，促使碟板前端流速较低；而碟板与上下密封

在蝶板附近压力梯度较为平缓，无明显的减压效处形成了喉口效应，流经节流口后的流体速度

果；（2）随着开度的减小，入口段的均匀流体流增大，在小开度下碟板上下形成射流现象。从

经碟板时，蝶板的阻挡促使压力形成堆积现象，呈图4（b）和（d）中可看出，经过喉口流速较快的

现出入口段压力比碟板前端的压力要小；（3）来流体与碟板后端流速较慢的流体在剪切作用下，

自入口段的流体，撞击碟板使得速度降为0，根据连续的流体短时间内在碟板背面形成卡门涡街

文丘里效应得出压力反而增加，在蝶板前端压力（蝶阀对称平面上形成的涡街状态为卡门涡街现

较大，而碟板后端压力较小，出现低压区；（4）由象

［17-18］

），并且随着蝶阀的关闭，涡街效应愈加

于偏心距

e

的作用，使得碟板下端的压力梯度变的明显。综合图4可见在匀速关闭条件下，随着

化缓慢，有利于减小碟板下端大压差造成碟板关碟板开度的减小，流场从稳流发展到湍流

［19-26］

。

闭过程中的不稳定问题。图6示出了图4（a）中监测点

A

，

B

随开度变化，

图5示出三偏心蝶阀在关闭速度0.196 3 rad/s 其压力与速度的变化规律，结果表明在蝶板关闭

时，不同时间点的速度及流线。从图4（a）和（c）过程中，上、下喉口处的流速由0上升到约为12.5

刘惺，等：大口径三偏心蝶阀关闭过程内部流场动态仿真

45

m/s，并且上喉口上升到射流的速度比下喉口更

快，符合之前分析的碟板下端压力梯度变化缓慢

的规律。碟板后端的涡街效应和碟板前后压差变

化，是诱导关闭过程中发生振动的原因之一，因

此，优化关阀时间是得到较为稳定流场有效的措

施之一。

图5 关闭速度0.196 3 rad/s时不同时间点蝶阀的速度与迹线

图6 水流速度的变化

图7 动水压强的变化

2.2 不同关闭速度对关闭特性的影响

以关闭速度0.196 3 rad/s为例，定性分析了

大口径三偏心蝶阀关闭过程中其内部流场的变化

情况，得知碟板前后压差随着蝶阀的关闭而变化、

喉口的缩小使得高速射流的形成以及卡门涡街现

象随着开度的减小愈发的严重

［20］

。因此，通过改

变碟板不同旋转速度，优化内部流场对关闭过程

的影响是较为有效的方法之一。

图7示出了不同关闭速度下动水压强的变化

曲线，结果显示：关阀时间在4~12 s范围内，动水

压强的最大值随着关阀时间的增加而下降，其中

关阀时间4 s时的最大动水压强是12 s的1.5倍；

对比得知，降低蝶阀的关闭速度，其动水压强上升

斜率变得更平缓，能够一定程度上改善碟板所受

的压强作用；随着关闭速度的降低，最大压强的持

续时间延长，因此在结构刚度的允许的条件下，可

以选择合理的关阀速度。

表2给出了不同关闭速度下最大压强的数

值、出现时间以及蝶阀转动的角度。分析得知：适

当降低蝶阀的关闭速度碟板所受最大压强平缓，

但是最大压强的值在10 s以后无明显的降低；出

现最大压强时碟板的位置在55°～68°之间。

表2 不同关闭速度下动水压强峰值及峰值时间

类别

关闭速度/

（rad·s

-1

）

最大动水

压强/kPa

出现时间/s

数值

0.392 60.261 80.196 30.157 10.130 9

74.8

3

60.4

4.3

64.35

56.1

5

56.25

50.7

6.2

55.8

48.5

7.5

56.25转动角度/（

°

）67.5

3 结论

（1）通过CFD计算流体力学与动网格技术相

结合，对DN 3400大口径三偏心蝶阀内部流场进

46FLUID MACHINERYVol. 47，No.10，2019

行了瞬态特性研究。结果表明：在匀速关闭状态

下，碟板前后压差随着开度的变化而变化；此外，

三偏心蝶阀水击压强随着开度的减小，呈现出3

个阶段，即缓慢增加

→

保持

→

减小的变化规律；由

于蝶阀的关闭，喉口效应促使碟板上下形成射流，

达到了12 m/s左右，在剪切力的作用为涡街提供

了条件，并随着开度的减小涡流强度增加以及涡

核位置不断发生变化。

（2）通过分析不同关闭速度下对关闭特性的

影响，结果表明：关闭速度的降低动水压强上升的

速度变得平缓，并且最大动水压强有明显下降；但

是在关闭速度小于0.157 1 rad/s之后，最大压强

下降无太大变化。分析还显示，55°～68°是三偏

心蝶阀出现最大动水压强的位置，因此可以通过

此工况对蝶阀进行流固耦合特性研究，可为三偏

心蝶阀的结构优化提供设计依据。

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作者简介：刘惺（1994），男，硕士研究生，主要研究方向为现

代设计方法，通信地址：644000 四川省宜宾市临港经济技术开发

区大学城188号四川轻化工大学宜宾校区，E-mail:1625584112@

。

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