01.概述

四偏心蝶阀是一种高性能角行程蝶阀，以现有的成熟产品三偏心蝶阀为基础，通过优化设计，引入第四个偏心而成。其设计精巧新颖、结构紧凑合理、性能优越、应用广泛，与三偏心蝶阀同是非常优秀的蝶阀产品。四个偏心的设计，使其不仅能够像三偏心蝶阀一样，具有摩擦损伤小、开启扭矩低、工作寿命长、介质压差自密封等优点，还能够增加流道内的有效流通面积，有助于提升蝶阀的流通能力。学者们对两种蝶阀的设计计算、流量特性和密封特性做了诸多研究，但关于四偏心蝶阀对流通能力的具体提升效果和与三偏心蝶阀流量特性差别的相关研究成果较少。因此，本文以口径同为DN700的四偏心蝶阀和三偏心蝶阀为研究对象，使用CFD方法，分别对两台蝶阀进行全开度的数值仿真，获取其流量特性曲线等参数，从而进行全面的对比分析。

02.结构特征及差别

四偏心蝶阀是在三偏心蝶阀的基础上引入了第四个偏心，并未对整体结构做出修改，因此两者在外观上并无明显差别。其结构如图1所示，图中以蝶阀密封副的中截面作为剖面展示，四偏心蝶阀的四个偏心包括：

第一个偏心为轴向偏心，即在管道轴向，蝶板的回转中心O与密封副中心面存在偏距c；

第二个偏心为径向偏心，即在管道径向，蝶板的回转中心O与阀体中心线存在偏心距e；

第三个偏心为角度偏心，即在中截面上，密封副的圆锥中心线与阀体中心线存在偏角φ；

第四个偏心为锥体偏心，即在锥体底部，四偏心蝶阀的椭圆形底面与圆形存在偏移量h。

椭圆形的锥体底面使得密封面的设计更加灵活可控，通过对椭圆长短轴的调整，可得到轮廓为圆形的密封副。为了方便对比，本文尽可能保证模型的一致性，因此将四偏心蝶阀密封面的锥体底面椭圆短轴和三偏心蝶阀的锥体底面圆形直径设置为相等长度，如图1中A方向视图所示。

图1 四偏心蝶阀结构

03.流量特性对比分析

为对比四偏心蝶阀与三偏心蝶阀的流量特性，需要获得两者在各个开度下的流量系数，绘制流量特性曲线并进行对比分析。对于流量系数的求解，可通过传统的经验公式和系数估算，或通过流量实验直接得出，还可以使用CFD方法进行数值仿真计算。考虑到两种偏心蝶阀的结构非对称且流动复杂，经验公式和系数估算难以保证精准度；而实验方法成本较高、周期长，且容易引入样机加工、实验装置和人为因素等误差；而CFD方法在相关领域已经有了广泛、成熟的应用，计算结果可与实验数据相互验证。因此，本文使用CFD方法求解流量系数，绘制两者的流量特性曲线，再进行对比分析。

3.1 几何模型

使用三维建模软件分别建立四偏心蝶阀和三偏心蝶阀的装配体模型。为方便对比，两者的关键参数需保持一致，即前三个偏心使用相同的数值，仅存在第四个偏心的区别。因此模型的主要差别体现在三偏心蝶阀密封面轮廓为椭圆形，而四偏心蝶阀密封面轮廓为圆形，模型外观如图2所示。

(a)四偏心蝶阀

(b)三偏心蝶阀

图2 三维装配体模型

3.2 CFD模型及边界条件

抽取由三维实体模型包络的流体空间作为计算区域，为得到更稳定、准确的计算结果，需要对进出口管道进行延长；延长长度依据相关试验标准的规定，对模型的进出口分别延长2倍DN和6倍DN，生成的计算区域如图3（a）所示。为方便网格划分、提高计算效率，需要模型进行必要的简化和处理，填充不参与流动的空腔、孔洞，去除与流动相关度低的细小沟槽和间隙。为保证网格的一致性，采用相同的划分方法和尺度对计算区域进行网格划分；计算区域内存在小尺度特征以及流动相对复杂的区域，对这些区域的网格以相同的加密准则进行网格细化，生成的网格如图3（b）所示。

将计算域网格导入ANSYS CFX中进行求解。各开度下的边界条件按照统一的工况设置：介质为20 ℃水，管道入口设置湍流流速3.5 m/s，管道出口设置静压力为绝对压力0.101325 MPa。

(a)流体区域

(b)计算网格

图3 计算区域及网格划分

3.3 流动特性对比分析

以10°为间隔，建立各开度的三维模型，分别进行CFD仿真求解。通过后处理程序读取结果文件中的压力和流量等数据，可以计算出各开度的C_v值，如表1所示。将开度作为横坐标，C_v值作为纵坐标，填入各点数据并拟合成曲线，即得到两者的流量特性曲线，如图4所示。

表1 各开度C_v值对照

图4 流量特性曲线

根据表1和图4可以发现：

（1）两者流量特性曲线总体趋势一致：在开度60°以内，C_v值平稳上升且呈线性增加；开度60°以上，C_v值上升加快，曲线逐渐陡峭，在85°附近达到峰值后回落。三偏心蝶阀线性度相对更好，斜率变化较为平稳，曲线峰值区域相对宽而平坦；四偏心蝶阀曲线更为陡峭，斜率变化更快，曲线峰值区域窄而尖锐。

（2）C_v值大小关系随开度变化规律：小开度时，四偏心蝶阀C_v值相对更低，但与三偏心蝶阀较为接近，差值在5%以内；开度50°附近，两者C_v值几乎相等，而开度50°以上，四偏心蝶阀C_v值明显更高，比三偏心蝶阀高达10%以上。

3.4 流道面积及喉部位置对比分析

流道面积的大小直接影响阀门的流通能力，根据阀门的节流特性，阀门流通能力主要受限于喉部面积的大小，分析流通能力产生差别的原因仅需对比两者喉部面积即可。对于阀门喉部面积的确定，传统中线蝶阀通常是测量密封面在管道方向的投影面积，但此方法并不适用偏心蝶阀。在结构上，阀板在回转中心处厚度最大，对流动形成的阻挡面积也最大，而阀体流通面积最小处位于密封面一侧，由于轴向偏距c（第一个偏心）的存在，这两个位置并不重合，均有可能是喉部所在；且在不同开度下，两者相互影响，无法直接判断喉部位置。为此，可沿管道方向对流体区域选取多个截面，通过测量各截面面积，得到流道面积的变化规律，并确定喉部位置及其面积大小。

以管道入口为坐标零点，以1 mm为间隔选取截面，阀体对应的位置坐标如图5所示；其中，阀板回转中心线位置坐标为3.215 m，阀体最小流通面积位于密封面右侧，其位置坐标为3.296 m。以各截面位置坐标为横坐标，截面面积为纵坐标，为两台蝶阀绘制各开度下的位置-截面积曲线，其中四偏心蝶阀位置-截面积曲线如图6所示，三偏心蝶阀位置-截面积曲线如图7所示。观察图6、图7可以发现，两者曲线均存在共同的特征：首先是双喉部特征，即同一曲线存在两处面积低点，一处位于阀板回转中心附近，另一处位于阀板密封面，与图5标记的位置吻合，两个低点存在面积相等的情况，且位置不固定，随开度减小而游移靠近；其次是喉部位置转变特征，在大开度下，喉部位于密封面处的低点，随着开度减小，喉部位置逐渐转移至阀板回转中心，与另一低点重合，与此同时，两处面积低点间距变小，在小开度下几乎重合，双喉部特征随之消失。

图5 截面位置坐标示意图

图6 四偏心蝶阀流道截面积

图7 三偏心蝶阀流道截面积

将以上曲线中喉部面积和位置数据整理列表，如表2所示。对比喉部面积可以发现，其大小关系随开度变化为：当小开度时，四偏心蝶阀喉部面积相对更小；开度50°附近，两者喉部面积近乎相等；开度50°以上，四偏心蝶阀喉部面积明显更大，此特征与图4展示的流量特性变化趋势能够较好吻合。对比喉部位置可以发现，喉部总出现在固定的几个位置，且喉部位置仅在个别开度时呈现不同；四偏心蝶阀开至70°以后，喉部转移至阀体密封面处且不再变化，而三偏心蝶阀仅开至50°时，喉部位置就已经固定在阀体密封面处，不再随开度变化而变化。

表2 喉部面积与位置坐标

04.结语

本文选用的四偏心蝶阀与三偏心蝶阀模型由于在结构上的一致性和关键参数的同一性，使得两者的流量特性具有相似趋势；但不同开度下的流通能力存在差别，意味着两种蝶阀不可以等同使用，需要注意以下差异：

（1）第四个偏心的引入使得阀体内部流通面积变大，但同时增大了阀板等阀内件的外径和宽度，增加了阀内件对流动的阻挡效应，尤其在小开度下，阀板在流道内全面展开，流通能力甚至低于三偏心蝶阀。因此，四偏心蝶阀无法在全开度下保持更好的流通能力。

（2）在实际应用中，应针对两种蝶阀的流量特性进行合理选用。在60°范围内，三偏心蝶阀线性度更好，C_v值略高，因此三偏心蝶阀的调节性能优于四偏心蝶阀。大开度时，四偏心蝶阀C_v值明显更高，流通能力更好，因此在开关场合，四偏心蝶阀更具优势。

（3）相对于传统的中线蝶阀和双偏心蝶阀，四偏心蝶阀和三偏心蝶阀流道更加复杂，在实际运行过程中，其喉部位置和面积是动态变化的，且会出现双喉部情况。因此，在相关设计及计算中，应以实际模型为主，避免因盲目套用经验公式而造成较大误差。

（4）实际使用中发现，在粉尘、易结晶介质及固体颗粒较多的场合，四偏心蝶阀更易发生堵塞、卡顿现象，其原因在于结构差异。四偏心蝶阀的阀板更趋近于圆形，两边轴孔端部距离阀体内壁更近，而固相介质容易在此类狭小空间内积聚，从而进入轴承间隙引起卡阻。因此，这类场合使用三偏心蝶阀更加合理、可靠。