化工工艺过程中高温、高压工况和复杂的流动介质极易引起节流减压过程相关设备的空蚀失效问题,最终造成设备的穿孔、泄漏事故。其中减压阀门及其相连管道为典型的失效频发设备,对于空蚀破坏,单纯的材料升级难以保证装置的长期稳定运行。因此结合实验和数值模拟方法,研究阀门类型结构中空化空蚀特性,探索空化空蚀的预测方法,对于阀门及相连管道结构类型的空蚀破坏的提前预警乃至彻底消除空化流动中壁面的空蚀损伤具有重要的意义。本文以实际减压阀为原型制作了阀门模型结构组件和带有可视化观测窗的阀门试验段,通过自主设计搭建的空化水洞实验装置对不同条件下空化空蚀特性进行了实验研究,得到了空化空蚀现象随空化数和时间的演变规律。然后通过试验段的数值模拟研究,结合空化实验规律对计算模型中空化模型系数进行了修正,较为准确的对空化实验现象进行了数值重现。最后基于优化的空化模型,提出以空化模拟中气相凝结速率作为表征参数,对实验中空蚀区域进行预测。并通过实际空蚀失效案例的应用分析,验证了预测方法的可靠性。本文的主要工作和结论如下:(1)通过图像后处理方法得到了可视化空化实验中空化区域特征线及其穿过空化区域的特征长度,特征长度能够较好的反映空化现象的变化特性。随着空化数的减小,在阀门模型试验段中观察到3种典型的空化现象:(a)空化长度发生显著变化的周期性附着空化,但不存在空化脱落现象;(b)空化长度在较小范围内变化的附着型空化,周期性不明显;(c)空化长度显著的周期性变化,同时伴随着空化云脱落、溃灭现象的云空化。(2)空化实验中空化现象不具有对称性,随着空化数减小,上阀座、下阀座和阀芯头部的初生空化会依次在?=1.72、1.55和1.33时出现,云空化的脱落仅发生在上半区域。空化数减小时,空化长度会逐渐增大,且增长速率也逐渐增大。(3)空蚀实验结果中铝膜表面蚀点区域的长度随时间基本保持不变;蚀点面积随着时间的增加逐渐增大,在15min至30min间有激增段,最终在60min时会趋于稳定状态。本实验中未发生空化脱落的下阀座空蚀蚀点面积更大,受到更严重的空蚀破坏。(4)对试验段进行二维结构的数值模拟,对比分析Zwart-Gerber-Belamri空化模型中不同模型系数的仿真结果,得出减小模型中蒸发系数Fv或增大凝结系数Fc都会显著的降低上阀座空化的长度和强度;增大Fv或减小Fc则会显著提高下阀座空化的长度和强度的规律,其他改变对于相应区域的空化现象影响较小。最后得到Fv=200、Fc=0.1这一组改进的模型系数,对于稳定的附着空化和非定常的云空化脱落过程都取得较好的模拟效果。(5)基于改进的空化预测模型,以数值计算结果中气相凝结速率作为表征参数对空蚀区域进行预测,得到的凝结区域与实验中空蚀区域吻合性较好。预测结果中空蚀的起始位置与实验结果相同,空蚀区域长度的预测误差在9%左右。气象凝结区域的位置和范围与空化现象的形态特性紧密相关,准确地空化现象数值模拟结果是准确预测空蚀的前提。本文得到的空化空蚀预测方法应用于实际空蚀失效分析后也取得较好效果。本文的创新点:(1)开展了阀门模型试验段的可视化空化特性实验和表面贴覆铝膜的空蚀实验研究,得到了多种典型的空化现象,分析了空化形态、长度和空蚀区域位置、面积在时间尺度的变化规律。(2)结合空化特性实验,得到调整模型系数Fv=200、Fc=0.1这一优化的空化模型。在优化的空化模型基础上,提出以气相的凝结速率危险区域来表征空蚀区域,这一预测方法在实验和实际应用中均取得较好效果。