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沧州广晟钢管制造有限公司
中国 沧州
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超音速风洞大口径蝶阀流场分析及改进 ：1概述蝶阀因成本低、体积小、质量轻和寿命长等优势在工业领域应用广泛。在高速风洞阀门系统改造以及新建风洞阀门系统配置中，也逐渐采用以电动蝶阀、液动蝶阀和套筒式调压阀依照气流的流向依次布置的模式（图1）。近 1 概述 蝶阀因成本低、体积小、质量轻和寿命长等优势在工业领域应用广泛。在高速风洞阀门系统改造以及新建风洞阀门系统配置中，也逐渐采用以电动蝶阀、液动蝶阀和套筒式调压阀依照气流的流向依次布置的模式（图1）。近年来随着风洞试验任务的增加，几座主力风洞大口径蝶阀先后出现执行机构失效、阀杆断裂、蝶板蒙皮破裂以及阀杆轴向窜动等类型的故障，严重影响了风洞试验的顺利进行。而蝶阀的上述故障在水电、核电等应用领域并不常见。风洞蝶阀的使用不同于其他领域的特点是启闭频繁（每试验一次启闭一次），启闭速度快（3s左右），冲击大，振动剧烈，而影响蝶阀振动的主要因素是蝶板，因此迫切需要研究高速风洞蝶阀不同结构蝶板及不同开度下的流场。通过改善蝶阀的流场来提高蝶阀的可靠性，这对于确保风洞试验的顺利进行有着十分重要的意义。
图1 高速风洞阀门配置 2 蝶板结构及其流场
2.1 蝶板结构 根据压力及口径的不同，蝶板的结构形式也有所不同。风洞蝶阀的蝶板结构形式主要有框架式、蒙皮式和蒙皮开孔式。
（1）框架式蝶板 小口径蝶阀的蝶板通常铸造成两面均为流线型的结构形式。大口径蝶阀（DN≥1000）蝶板整体铸造会导致铸件自重和成本增加，同时驱动装置的驱动扭矩也需加大。大口径蝶阀的蝶板最常见的样式是蝶板承压一侧为光滑龟背结构，另一侧为框架结构，以便在保证刚度和强度的同时减轻自重（图2）。（a）蝶板背面（龟背侧）（b）蝶板正面（框架侧） 图2 框架式蝶板
（2）蒙皮式蝶板 为了减小流阻系数，提高流通性能，有时将框架所形成的空腔以蒙皮覆盖。以某风洞DN2500蝶阀蝶板为例，该蝶阀蝶板蒙皮厚度为10mm的整块圆钢板，圆周方向拼焊在蝶板上，蒙皮中间与相应框架筋板间以塞焊方式固定（图3）。实践证明蒙皮式蝶板容易出现裂纹，塞焊处易脱落，个别蝶板塞焊处蒙皮有圆形放射状裂纹，同时向外隆起（图4）。随着风洞试验次数的增加，裂纹不断扩展，多次补焊依然无法杜绝该问题，说明仅仅通过补焊不能解决问题。
图3 蒙皮式蝶板 图4 塞焊点蒙皮破裂 ♂
（3）蒙皮开孔式蝶板 经分析，裂纹是由于阀门振动造成的，而隆起是因为蒙皮内腔压力大于外部压力所致。为了减小蒙皮两端压差，在蒙皮适当位置开平衡孔形成蒙皮开孔式蝶板。以某风洞DN2500蝶阀蝶板为例，该蝶板共开φ16mm的平衡孔341个，开孔面积率约为2.2%（图5）。开孔后实际使用效果良好。
图5 蒙皮开孔
2.2 流场分析 近年来，CFD方法取得了很大的发展，计算准确、界面友好，使用简单。目前，与三维CAD无缝集成的CFD软件SolidWorksCOSMOSFloWorks可直接应用SolidWorks所生成的与实物一致的模型来分析。采用该软件分析某超音速风洞不同蝶板结构情况下的流场。
模拟参数按实际风洞试验条件给定，模拟试验介质为空气，进口流速为32m/s，进出口外接管道长度各为阀门通径的5倍，进口压力为2.0MPa，出口压力为大气压。气流方向为实际运行方向，即从蝶板龟背侧管道向蝶板框架侧管道方向流动。
图1 高速风洞阀门配置 2 蝶板结构及其流场
2.1 蝶板结构 根据压力及口径的不同，蝶板的结构形式也有所不同。风洞蝶阀的蝶板结构形式主要有框架式、蒙皮式和蒙皮开孔式。
（1）框架式蝶板 小口径蝶阀的蝶板通常铸造成两面均为流线型的结构形式。大口径蝶阀（DN≥1000）蝶板整体铸造会导致铸件自重和成本增加，同时驱动装置的驱动扭矩也需加大。大口径蝶阀的蝶板最常见的样式是蝶板承压一侧为光滑龟背结构，另一侧为框架结构，以便在保证刚度和强度的同时减轻自重（图2）。（a）蝶板背面（龟背侧）（b）蝶板正面（框架侧） 图2 框架式蝶板
（2）蒙皮式蝶板 为了减小流阻系数，提高流通性能，有时将框架所形成的空腔以蒙皮覆盖。以某风洞DN2500蝶阀蝶板为例，该蝶阀蝶板蒙皮厚度为10mm的整块圆钢板，圆周方向拼焊在蝶板上，蒙皮中间与相应框架筋板间以塞焊方式固定（图3）。实践证明蒙皮式蝶板容易出现裂纹，塞焊处易脱落，个别蝶板塞焊处蒙皮有圆形放射状裂纹，同时向外隆起（图4）。随着风洞试验次数的增加，裂纹不断扩展，多次补焊依然无法杜绝该问题，说明仅仅通过补焊不能解决问题。
图3 蒙皮式蝶板 图4 塞焊点蒙皮破裂 ♂
（3）蒙皮开孔式蝶板 经分析，裂纹是由于阀门振动造成的，而隆起是因为蒙皮内腔压力大于外部压力所致。为了减小蒙皮两端压差，在蒙皮适当位置开平衡孔形成蒙皮开孔式蝶板。以某风洞DN2500蝶阀蝶板为例，该蝶板共开φ16mm的平衡孔341个，开孔面积率约为2.2%（图5）。开孔后实际使用效果良好。
图5 蒙皮开孔
2.2 流场分析 近年来，CFD方法取得了很大的发展，计算准确、界面友好，使用简单。目前，与三维CAD无缝集成的CFD软件SolidWorksCOSMOSFloWorks可直接应用SolidWorks所生成的与实物一致的模型来分析。采用该软件分析某超音速风洞不同蝶板结构情况下的流场。
模拟参数按实际风洞试验条件给定，模拟试验介质为空气，进口流速为32m/s，进出口外接管道长度各为阀门通径的5倍，进口压力为2.0MPa，出口压力为大气压。气流方向为实际运行方向，即从蝶板龟背侧管道向蝶板框架侧管道方向流动。
