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[摘 要]阀门是流体输送系统中的控制部件，具有截止、调节、倒流、防止逆流、稳压、分流或者溢流泄压等功能，而蝶阀作为一种常见的阀门，具有结构简单、控制方便的特点，适用于各种口径管道中，所以得到了广泛的应用。基于此，下文对蝶阀的流场特性和结构优化进行了分析，希望对相关人员提供帮助。
[关键词]蝶阀；流场特性；结构优化
中图分类号：TP108 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）42-0318-01
引言
随着经济全球化的进程加快，我国的阀门企业受到了越来越激烈的冲击，并且对我国国民经济和工业的发展有着重要的意义。因此，加强对蝶阀结构、流场特性的分析，为进行阀门结构优化提供合理的理论依据，从而可以促进阀门企业的长久发展。
1蝶阀的概述
1.1蝶阀简介
蝶阀是一种简单的调节阀，其主要其调节和切断介质的作用，经常被应用于流体的输送管道中。并且，蝶阀主要由阀体、阀杆、蝶板、密封圈四部分组成。其中，阀体呈圆筒形，厚度及轴向尺寸较小，其上安装阀轴、内置蝶板；阀杆呈通杆结构，一般都经过调质处理，所以具有较好的综合机械性能、抗擦伤性和耐磨性；蝶板是蝶阀的启闭件，通常利用锥销将之与阀轴固定；密封圈包括阀体密封面、蝶板密封圈，密封圈的质量影响着整个阀门的密封性能。同时，蝶阀可以对各种腐蚀性或者非腐蚀性流体介质的流动进行控制，比如空气、烟气、水、油、放射性介质以及液态金属等，从而被广泛的应用于我国各行各业中，对我国工业的发展有着极大的促进作用。
1.2蝶阀的优缺点
蝶阀的结构比较简单、体积较小，自身的重量也比较轻，与其他类型的阀门相比其更节省材料，并且驱动力矩较小，操作比较简便，同时蝶阀的可靠性以及其主要性能指标已经达到了较高水平，并且具有良好的流量调节以及启闭密封的双重特性。此外，蝶阀还具有如下几个优点：第一，由于阀板运动带有一定的擦拭性，所以可以对含有悬浮固体颗粒的介质进行运送，比如泥浆，并且在管道口所积存的液体也比较少；第二，在低压的情况下，其密封性比较好，并且调节性能也比较好；第三，对于蝶阀的开启或关闭一次只需旋轉蝶板90°，启闭力矩小，启闭迅速省力，可以经常操作，并且结构简单，安装高度小，体积小，重量轻，方便安装。但是蝶阀也具有一定的缺点，其因受密封材料及密封性能的限制，蝶阀的使用压力范围小，高温密封性能难以保证。
2蝶阀的流场特性
2.1蝶阀流场特性的内容
由于蝶阀可以作为流量调节使用，所以在选择蝶阀时，要对其在管路中中压力损失严重这一缺点进行逐一，并对管路系统受压能力的损失和影响进行充分考虑。同时，当利用蝶阀来取代流量控制阀时，要对蝶阀的尺寸类型进行正确的选择，从而促进蝶阀工作的有效开展。而对于蝶阀的流畅特性主要包括以下几点：第一，流量系数，其是阀门设计过程中的一项重要技术参数，也是衡量阀门流通能力的指标，当流量系数越大时，阀门前后两端的压力损失就会越小；第二，能量损失，其作为一个节流元件，控制阀的局部阻力是可变的。在不同开度下，流体通过阀门时，蝶板与阀座形成的过流区域局部扩大形成局部阻力，引起流体的压力、速度发生变化；第三，流量特性，其是指介质通过阀门的相对流量与阀门开度之间的关系，并且其对阀门的选用有着十分重要的意义。
2.2蝶阀理想流量特性的意义
阀门的理想流量特性可以分为抛物线特性、快开线特性、线性特性以及等百分比特性，而四种流量特性的意义分别包括：抛物线特性其是流量按照行程的二次方成的比例变化，调节性能比较理想，但阀瓣加工较困难，故使用上常用等百分比特性代替；阀门行程较小时，快开特性的流量比较大，并能够很快达到最大，一旦行程增大，其流量将迅速达到最大，其经常被用在双位调节和程序控制中；线性特性其行程与流量成比例，单位行程的变化所引起的流量变化是定值。开度较小时，流量变化大，开度较大时，流量变化小；负荷较小时，其调节性能过于灵敏，会产生振荡，负荷变大后，调节性能则表现为迟缓而不及时；等百分比特性其行程和流量虽然不成比例关系，但行程每一点上的单位行程变化所引起的流量的变化却与此点的流量成正比，即流量变化的百分比一定。所以等百分比流量特性的优点是流量越小，其流量变化也越小，反之，流量较大后，其流量变化也变大，而且其在不同开度上具有相同的调节精度。
3蝶阀的结构改进
对于蝶阀结构的优化改进，可以通过对结构设计、制造以及安装使用环境等方面进行改进，从而使其流场性能得到改善，其主要可以从以下几个方面对蝶阀的结构进行改进：第一，将蝶板的表面形状改为流程型，并将中间凸起部分利用圆角进行过度，从而避免流面受介质压力而出现的应力集中问题。同时，为了避免蝶板受压变形，要在蝶板逆向来流的背面设置加强筋，并且为了避免加强筋的结构对流体的流动特性产生影响，要适当增加一些过流孔；第二，为防止气蚀，可以加大蝶阀出口直径，降低出口压力，或者串联多个蝶阀来减小每个蝶阀所承受的压差，并且不断提高密封面的精度，减小蝶板密封圈与密封面的摩擦和磨损，提高密封圈寿命。总之，对于蝶板结构的优化要尽量进行流线型表面积倒圆等简单修改，从而减少阻力和撞击，而得到改进后的蝶板如图1所示。同时，在对优化后的蝶阀模型的流场进行分析时，可以施加相应的边界条件，并将求解设置与之前保持一致，从而得到不同开度蝶阀的相关参数，并将所得数据与原模型的流场参数进行比较，得出经过改变后的蝶阀前后压差变小，这就表示压力损失减小，相反的流量系数有一定的增加，而且开度越大，流阻系数也有所减小，只是变化相对较小，最终可以确定改动后的蝶板从一定程度上减小了压差，更有利于介质的流过，减少了流动过程的能量损失。
结束语
总而言之，蝶阀因其结构简单、操作方便被广泛应用于各行各业中，而要想保证蝶阀的更好应用，就要加大对蝶阀流场的进一步深入研究，从而为蝶阀的设计、使用以及优化提供基础性的数据参考，不断推动我国国民经济和工业的快速、稳定发展。
参考文献
[1]刘阳阳.大型蝶阀产品的结构有限元分析及优化研究[D].河北科技大学，2015.
[2]杨恒虎.新偏心蝶阀结构设计及参数优化[D].重庆理工大学，2016.
[3]徐得涛.基于CFD的蝶阀结构优化与多场耦合分析[D].东北大学，2011.
[4]何庆中，王渝皓，王佳，蒲虎，厉明玉.基于CFX的大口径蝶阀的流场分析及结构优化[J].流体机械，2016，44（05）：42-46.
[关键词]蝶阀；流场特性；结构优化
中图分类号：TP108 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）42-0318-01
引言
随着经济全球化的进程加快，我国的阀门企业受到了越来越激烈的冲击，并且对我国国民经济和工业的发展有着重要的意义。因此，加强对蝶阀结构、流场特性的分析，为进行阀门结构优化提供合理的理论依据，从而可以促进阀门企业的长久发展。
1蝶阀的概述
1.1蝶阀简介
蝶阀是一种简单的调节阀，其主要其调节和切断介质的作用，经常被应用于流体的输送管道中。并且，蝶阀主要由阀体、阀杆、蝶板、密封圈四部分组成。其中，阀体呈圆筒形，厚度及轴向尺寸较小，其上安装阀轴、内置蝶板；阀杆呈通杆结构，一般都经过调质处理，所以具有较好的综合机械性能、抗擦伤性和耐磨性；蝶板是蝶阀的启闭件，通常利用锥销将之与阀轴固定；密封圈包括阀体密封面、蝶板密封圈，密封圈的质量影响着整个阀门的密封性能。同时，蝶阀可以对各种腐蚀性或者非腐蚀性流体介质的流动进行控制，比如空气、烟气、水、油、放射性介质以及液态金属等，从而被广泛的应用于我国各行各业中，对我国工业的发展有着极大的促进作用。
1.2蝶阀的优缺点
蝶阀的结构比较简单、体积较小，自身的重量也比较轻，与其他类型的阀门相比其更节省材料，并且驱动力矩较小，操作比较简便，同时蝶阀的可靠性以及其主要性能指标已经达到了较高水平，并且具有良好的流量调节以及启闭密封的双重特性。此外，蝶阀还具有如下几个优点：第一，由于阀板运动带有一定的擦拭性，所以可以对含有悬浮固体颗粒的介质进行运送，比如泥浆，并且在管道口所积存的液体也比较少；第二，在低压的情况下，其密封性比较好，并且调节性能也比较好；第三，对于蝶阀的开启或关闭一次只需旋轉蝶板90°，启闭力矩小，启闭迅速省力，可以经常操作，并且结构简单，安装高度小，体积小，重量轻，方便安装。但是蝶阀也具有一定的缺点，其因受密封材料及密封性能的限制，蝶阀的使用压力范围小，高温密封性能难以保证。
2蝶阀的流场特性
2.1蝶阀流场特性的内容
由于蝶阀可以作为流量调节使用，所以在选择蝶阀时，要对其在管路中中压力损失严重这一缺点进行逐一，并对管路系统受压能力的损失和影响进行充分考虑。同时，当利用蝶阀来取代流量控制阀时，要对蝶阀的尺寸类型进行正确的选择，从而促进蝶阀工作的有效开展。而对于蝶阀的流畅特性主要包括以下几点：第一，流量系数，其是阀门设计过程中的一项重要技术参数，也是衡量阀门流通能力的指标，当流量系数越大时，阀门前后两端的压力损失就会越小；第二，能量损失，其作为一个节流元件，控制阀的局部阻力是可变的。在不同开度下，流体通过阀门时，蝶板与阀座形成的过流区域局部扩大形成局部阻力，引起流体的压力、速度发生变化；第三，流量特性，其是指介质通过阀门的相对流量与阀门开度之间的关系，并且其对阀门的选用有着十分重要的意义。
2.2蝶阀理想流量特性的意义
阀门的理想流量特性可以分为抛物线特性、快开线特性、线性特性以及等百分比特性，而四种流量特性的意义分别包括：抛物线特性其是流量按照行程的二次方成的比例变化，调节性能比较理想，但阀瓣加工较困难，故使用上常用等百分比特性代替；阀门行程较小时，快开特性的流量比较大，并能够很快达到最大，一旦行程增大，其流量将迅速达到最大，其经常被用在双位调节和程序控制中；线性特性其行程与流量成比例，单位行程的变化所引起的流量变化是定值。开度较小时，流量变化大，开度较大时，流量变化小；负荷较小时，其调节性能过于灵敏，会产生振荡，负荷变大后，调节性能则表现为迟缓而不及时；等百分比特性其行程和流量虽然不成比例关系，但行程每一点上的单位行程变化所引起的流量的变化却与此点的流量成正比，即流量变化的百分比一定。所以等百分比流量特性的优点是流量越小，其流量变化也越小，反之，流量较大后，其流量变化也变大，而且其在不同开度上具有相同的调节精度。
3蝶阀的结构改进
对于蝶阀结构的优化改进，可以通过对结构设计、制造以及安装使用环境等方面进行改进，从而使其流场性能得到改善，其主要可以从以下几个方面对蝶阀的结构进行改进：第一，将蝶板的表面形状改为流程型，并将中间凸起部分利用圆角进行过度，从而避免流面受介质压力而出现的应力集中问题。同时，为了避免蝶板受压变形，要在蝶板逆向来流的背面设置加强筋，并且为了避免加强筋的结构对流体的流动特性产生影响，要适当增加一些过流孔；第二，为防止气蚀，可以加大蝶阀出口直径，降低出口压力，或者串联多个蝶阀来减小每个蝶阀所承受的压差，并且不断提高密封面的精度，减小蝶板密封圈与密封面的摩擦和磨损，提高密封圈寿命。总之，对于蝶板结构的优化要尽量进行流线型表面积倒圆等简单修改，从而减少阻力和撞击，而得到改进后的蝶板如图1所示。同时，在对优化后的蝶阀模型的流场进行分析时，可以施加相应的边界条件，并将求解设置与之前保持一致，从而得到不同开度蝶阀的相关参数，并将所得数据与原模型的流场参数进行比较，得出经过改变后的蝶阀前后压差变小，这就表示压力损失减小，相反的流量系数有一定的增加，而且开度越大，流阻系数也有所减小，只是变化相对较小，最终可以确定改动后的蝶板从一定程度上减小了压差，更有利于介质的流过，减少了流动过程的能量损失。
结束语
总而言之，蝶阀因其结构简单、操作方便被广泛应用于各行各业中，而要想保证蝶阀的更好应用，就要加大对蝶阀流场的进一步深入研究，从而为蝶阀的设计、使用以及优化提供基础性的数据参考，不断推动我国国民经济和工业的快速、稳定发展。
参考文献
[1]刘阳阳.大型蝶阀产品的结构有限元分析及优化研究[D].河北科技大学，2015.
[2]杨恒虎.新偏心蝶阀结构设计及参数优化[D].重庆理工大学，2016.
[3]徐得涛.基于CFD的蝶阀结构优化与多场耦合分析[D].东北大学，2011.
[4]何庆中，王渝皓，王佳，蒲虎，厉明玉.基于CFX的大口径蝶阀的流场分析及结构优化[J].流体机械，2016，44（05）：42-46.