1 前言

蝶阀由于重量轻、结构简单、操作方便、开关迅速等优点，被广泛应用于给排水、石油、化工等管路系统中。近年来，国内外学者对蝶阀内部流场及流动特性展开了广泛的研究。

Leutwyler、沈洋等分别研究了中线蝶阀稳态下可压和不可压缩流体的气动力矩特性，得到了不同压差下气动力矩随阀门开度变化的关系曲线［1，2］。Henderson、Park、杨志贤等分别对中线蝶阀水动力特性进行三维稳态模拟计算，分析了蝶阀下游管道内流动分离及涡旋形成的现象，并预测了动水力矩系数随阀门开度的变化规律［3～5］。Jeno、冯卫民、崔宝玲等通过对不同结构形式蝶阀的内部流场进行三维稳态模拟计算，分析了蝶阀内部微观流场结构和外部宏观流动特性之间的关系，并从流动特性的角度对蝶阀的优化设计进行了一些探讨［6～8］。Kim等采用粒子图像测速（PIV）和数值模拟相结合的方法对不同开度下三偏心蝶阀的流场结构及水动力特性进行了比较分析研究［9］。张勤昭、韩志杰等分别建立了三偏心蝶阀的三维稳态湍流模型，前者重点对三偏心蝶阀的流场结构及流阻特性进行了分析［10～12］；后者则重点研究了三偏心蝶阀的轴向偏心、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。Brett等利用计算机断层扫描技术，对蝶阀空化现象进行可视化试验研究，并采用Schnerr and Sauer模型捕获了空化的演变过程，同时对预测空化产生的原因作了深入的研究分析［12］。

然而，目前关于蝶阀流动特性的模拟研究大都在固定的较大开度下对流场进行静态计算，对于蝶板连续变化的小开度下流场的动态模拟分析鲜有报道。本文采用动网格技术，应用FLUENT软件平台对小开度（0°～20°）下中线蝶阀启闭过程中的流场进行动态模拟计算，由于开启和关闭过程具有十分接近的流动，因此本文以关阀过程为例，重点分析关阀过程中蝶板下游涡旋的形成及演化规律。因为蝶阀运行过程中产生的阻力、噪声及空化等问题都与涡旋有着密切联系，所以研究涡旋的结构及其演化规律具有重要意义。同时从流场压力和小尺度涡变化规律的角度对空化机理进行分析。

2 数值模拟

2.1 物理模型

以DN=500中线蝶阀为例，为减少进出口边界对蝶阀流场的影响，尽可能完整的模拟整个流场，取蝶阀及上游管道L1=5D（D为管道内径）与下游管道L2=10D一同作为计算域。同时，忽略阀座及重力加速度对流场的影响。管道水平放置，流动方向为+X方向。最终的物理模型可简化为二维平面模型，如图1所示。

  

图1 中线蝶阀流场的物理模型

2.2 数学模型

设置流体介质为水，采用二维不可压缩流动的雷诺时均方程组和Realizable k-ε湍流模型构成封闭方程组来求解蝶阀流场。利用Mixture模型来模拟气液两相流动，同时对关阀过程中可能出现的空化现象采用Schnerr and Sauer模型进行捕获，空化模型中考虑湍流脉动压力对气化压力的影响。整个空化过程中不考虑温度的变化。

随着开度减小到3°，涡旋V2和V13分别分离形成2个较小的涡V21、V22及V131、V132；最终在蝶板下游形成大小共计7个涡旋，且涡旋运动的影响范围扩展到蝶板下游约5倍管径长度。当阀门开度为2°时，涡旋之间的相互作用进一步加强，V131从V13中分离出来和V12合并，并切断V21与V22，卷吸V21形成新的涡旋V5，其旋向与V22相反。当开度为1°时，涡旋V5和V22相互作用，V5变小而V22变大；此外，涡旋V132中又形成了2个涡旋V1321与V1322。当阀门开度为0°，即蝶板关闭瞬间，V3卷吸附近的流体而发展壮大；V5与V22在向下游运动的过程中逐渐萎缩；而V1321从涡V132中分离出来并融入到周围流体中；涡旋运动扩展到蝶板下游6倍管径长度。

2.3 网格划分

采用ANSYS ICEM对计算域进行混合网格划分，其中蝶板附近管道区域采用三角形网格划分，远离蝶板的上下游管道采用四边网格划分，并对蝶板附近区域及管道壁面进行加密处理。蝶板附近动态网格的重生采用局部重构法。网格单元总数约为50200，结果如图2所示。此外，当阀门全关时，蝶板上下边缘与管道内壁之间预留2 mm的间隙，这是为了应用动网格时，保证整个流体域的连续性。

从图4中可以看出，随着阀门开度的减小，空化的剧烈程度表现为增加-减小-增加-减小的趋势。整个关阀过程中，蝶板背面边缘处经历了2次空化发展高峰，第1次在开度为17°～14°之间，第2次在9°～6°之间。在开度α=14°时，最大气含率达到φ=0.79。当开度α=11°附近时，气含率出现极小值，气液相变被抑制，空化进入了低谷期。当开度小于6°时，空化现象整体呈减弱趋势，直至全关时气含率降低到0。

  

图2 计算域网格

3 计算结果及分析

3.1 阀后涡旋的演化规律

通过计算发现，在关阀的最后10°开度范围内流场变化剧烈，因此本文重点分析了这一阶段蝶阀下游涡旋的演化规律。

近来读荀子，才发现老祖宗两千年前已经给出了答案。“事死如生，事亡如存”，生死之间的距离，不是时间和空间可以丈量的，但是爱的力量可以瞬间超越这一切。在能够相爱的每一天，尽情地去爱吧，即使有一天死亡会隔绝温暖的拥抱，还是有勇气去思念。心中踏实安然，生死也就没有了界限。

  

图3 不同开度下蝶板下游流线分布

管道进出口边界均设置为压力边界，进口滞止压力为0.2 MPa，出口压力为大气压，管道壁面和蝶阀壁面设为绝热无滑移边界条件。关阀时间设置为20 s，时间步长为2×10-4 s。蝶板角速度随时间的变化规律通过用户自定义函数（UDF）来实现。

图3示出了相应开度下蝶板下游的速度分布及流线。从图3（a）中可以看出，流体以较高的速度通过蝶板边缘和管道内壁之间的间隙，表现为明显的射流现象。射流卷吸碟板背面低速流体并向蝶板背侧中心弯曲，然后形成了一对旋向相反、大小近似相等的类似迪恩涡的二次流涡旋V1-V2。由于这对涡旋的出现，蝶板下游横向对流作用增强，涡流区的影响范围逐渐向下游扩展，如图3（b）所示。当开度为6°时，从蝶板上方越过的流体折向下方时，卷吸下方的流体，使得上方的涡旋V1不断发展扩大，下方的涡旋V2缩小，涡旋彼此相互作用的同时也变得越来越不对称；并且上方大涡V1内部又形成3个旋向相同的小涡V11、V12及V13，小涡嵌套在大涡中并从大涡中获取涡量。当开度为4°时，在蝶板上边缘背面形成了新的涡旋V3；涡旋V13快速扩展壮大，占据主导地位，而V12在萎缩，V11往下方运动并从大涡V1中分离出来形成涡旋V4。

3.2 空化分析

图5（a）显示当开度α=14°时，流体经过碟板后，在碟板下边缘附近达到第一个空化高峰，最大气含率达到φ=0.79。从对应开度下的压力云图5（d）中可以看出，上游流体经过蝶板流向下游时产生节流，蝶板附近压力快速降低，在蝶板下游边缘处压力降低到饱和蒸气压，发生气液相变。随着流体继续向下游运动，过流截面又变宽，压力开始回升，导致发生相变的气泡又被压溃。不过此时碟板背面的压力仍然处于负压区。随着阀门开度的减小，过流截面继续变窄，蝶板边缘处流体的压力会进一步降低；然而在开度α=14°时经历过一次空化高峰期，导致蝶板边缘空化区域的压力出现回升。并且从图5（e）中可以看出，是空化导致蝶板边缘附近压力上升占据主导作用，因此蝶板边缘附近空化被抑制，空化区域缩小，气含率下降。空化被抑制以及阀门开度进一步减小，都将导致蝶板边缘过流截面的压力降低，当压力降低至饱和蒸气压时，即在开度α=7°附近出现了第二次空化高峰，最大气含率达到φ=0.66，如图5（c）、（f）所示。气含率的增大又将导致压力的回升，空化再次被抑制，气含率减小，如此反复，最终如图4所示。当开度小于6°时，气含率整体呈下降的趋势，直至全关时，空化消失。

  

图4 蝶板下边缘最大气含率变化曲线

《唐两京城坊考》记载，安南崇仁坊集市繁盛，“一街辐辏，遂倾两市，昼夜喧呼，灯火不绝”，属于中国人的“夜市时代”就此到来。

心理距离是以自我为中心，参照点为当下自我的直接体验，并具有空间、时间、社会、概率四种距离维度。[28]时间距离，指过去或者未来距离个体现在和目标事件之间的时间有多长；空间距离，指刺激物在空间上与个体间距离的远近；社会距离，指社会客体同个体之间亲疏或者明确性的程度；概率距离，指事件在多大程度上可能发生，或事物多大程度上可能存在。

  

图5 不同开度下蝶板下边缘气含率、压力及流线分布

流体经过蝶板后，发生流动分离，在蝶板上下边缘附近形成了低压区，局部小范围压力降至饱和蒸气压而发生空化现象。图4显示了不同开度下，蝶板边缘附近最大气含率变化曲线。

本文选取图4中3个具有代表性的开度具体分析空化过程，分别是2次空化高峰时的开度14°和 7°，以及空化低谷时的开度 11°，如图5所示。从图 5（a）、（b）、（c）中可以看出，随着阀门开度减小，局部空化区域集中在蝶板的上下边缘（图中显示为碟板下边缘，上边缘类似）。图5（d）、（e）、（f）为相应开度下的压力场，由于高速射流卷吸碟板背面的低速流体，在蝶板下游产生逆压梯度。

从图5流线（g）中可以看出，在开度α=14°，即第一次空化高峰时，主体涡V2中形成了一个局部小尺度涡。这是由于空化导致局部压力波动增大，加剧了流动的非稳态特性，进而促进了涡旋的产生。并且随着开度的减小，如图5（h）～（j），小尺度涡向下游运动的过程中逐渐发展壮大。此外，由图4气含率变化曲线中看出，当阀门开度在14°～11°之间时，蝶板边缘最大气含率一直在降低，直至达到第一次空化低谷，对应开度α=11°。因此，局部小尺度涡的发展壮大对空化产生了一定的抑制作用。随着开度的继续减小，蝶板附近流场扰动加大，小尺度涡发展到一定尺度即从主体涡V2中分离出来并融入到周围的流体中，如图5（k）所示。当第二次空化高峰来临时，如图5（l），在蝶板下游边缘附近，主体涡V2中再次形成了一个局部小尺度涡。伴随着空化从高峰降至低估，再回到高峰，蝶板下游边缘附近的小尺度涡也经历了产生、发展、消亡、再产生的过程。局部小尺度涡这一演变过程将导致蝶阀运行中蝶板发生震动，产生噪声。

4 结论

（1）在小开度下（0°～20°），关阀过程中随着阀门开度的减小，蝶板尾迹流场经历了一对旋向相反的对称涡（类似迪恩涡），进而发展成非对称涡，最终演变成为多个非对称涡结构；而开阀过程中随着开度的增大，蝶板尾迹流场涡旋结构的演化规律则和关阀的相反。

有科学家表示，北冰洋海冰融化将对中国的气候系统有重大影响，北冰洋气候系统与我国气候系统是上下游关系，北冰洋面积大幅减少的年份我国冬季发生严寒天气的概率较高，两者呈现统计学上的正相关性。

（2）在小开度下（0°～20°），流体经过蝶阀会产生空化现象。最大气含率发生在开度为14°附近时碟板的下边缘。空化促进了蝶板附近局部小尺度涡的产生，涡旋产生、发展、消亡的过程将导致蝶阀运行中蝶板发生震动，产生噪声。此外，空化最严重的区域发生在蝶板边缘及阀座附近，因此整个过程中气含率的波动将造成流体对蝶板、阀座及密封面的撞击，产生空化腐蚀。长期在小开度下运行会导致阀门的密封失效。

今年下半年，我国车市下行压力明显加大。中国汽车工业协会数据显示，10月份，我国汽车产销分别完成233．4万辆和238万辆，同比分别下降10．1%和11．7%。前10个月，我国汽车产销分别完成2282．6万辆和2287．1万辆，同比下降0．4%和0．1%。这也将是中国车市连续28年增长之后的首次负增长。

参考文献

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