调节阀是液压系统中用于控制系统压力、流量和液流方向的元件,是液压技术中品种规格最多、应用最广泛、最灵活的元件。调节阀的精确设计和节能控制等共性问题依赖于流道内部流场和流体力学等问题的深入研究。以局部低压为特征的空化流在阀腔中形态、空间位置变化将改变调节阀内部流场,极易引起阀芯和阀座空化破坏、振动及噪声,影响阀门控制的可靠性和稳定性,进而直接影响液压系统性能的好坏。由于空化流场与湍流、旋涡等流体力学中的难题息息相关,限于调节阀复杂的流道结构和较高的流动速度,目前研究成果仅停留在一些理论性的假设和经验性的实验结论水平。本文结合理论分析、流场仿真及可视化实验等手段,获取了调节阀内部空化流场的特性,系统研究了调节阀空化流动及其影响因素,提出了调节阀优化方案,以提高调节阀的抗空化破坏能力以及精确控制。通过孔板节流原理、流体力学中的连续性方程、伯努利方程,分析了调节阀阀口开度与其流量之间的关系。根据煤液化示范工程中热高分调节阀的工艺参数、结构尺寸和运行工况等,构建流体动力学几何计算模型,确定了数值计算的基本控制方程及边界条件,获得典型工况和结构下调节阀流道内的速度、压力、气相和液相体积分数、湍流动能等关键流体动力学参数,再现了调节阀内部的空化流场特征;开展了调节阀节流孔口空化流场的可视化实验,获得了阀口空泡流动的图像,验证了调节阀空化模型的正确性以及Fluent数值模拟的可行性和可靠性。结合理论分析、数值仿真及可视化等手段,准确获取了不同节流孔口形式下空化流场的特征。提出了采用综合分析流道内气相体积分数、速度场、压力场、湍流动能等动力学特征参量来准确描述节流孔口内空化流场的方法。调节阀喉部空化区中高速回流作用导致空泡在壁面附近溃灭,从而是产生空化破坏的主要原因。研究了阀芯和阀壁结构形式改变对阀口内部气液两相流场的影响,指明工程上可以通过选取合适的阀芯、阀壁组合的方式来局部优化流道,降低流动分离程度,达到抑制调节阀内部空化目的。影响空化的工作参数主要包括进出口压差和阀口开度,其工作参数的变化将影响空化流场形态。通过数值仿真的方法分析了工作参数改变对空化流场动力学特征参量的影响。当进出口压差保持不变时,阀口开度越大,流体的流动阻力和粘性作用减弱,阀口处流速越大、低压区范围更广,阀芯头部附近的回流区域减小,空化区域轴向长度增大,湍流强度增强;在阀口开度和结构不变的情况下,进出口压差越大,阀口处压差变化更大,节流孔口处的速度梯度增大,下游流道中低压区增大,空化区域长度增大,湍流加剧,空化发生程度相对更剧烈。基于控制压降程度抑制空化的思想,实际运行中,应该尽量避免阀门在小开度和大压差的情况下工作。影响空化的结构参数主要包括阀芯头部圆弧半径、阀座下游流道长度以及扩展角,其流道轮廓的细微变化将引起空化流态的显著变化。通过数值仿真的方法分析了结构参数改变对空化流场的影响。基于本文提出的动力学特征参量分析方法,以降低介质回流速度为优化指标,减小阀芯头部圆弧半径,阀芯头部的空化程度减小,流场中的湍流动能亦减小,空化越弱,因此适当减小阀芯头部圆弧半径可以有效抑制空化现象;调节阀阀座下游流道长度越长,阀芯头部回流区的速度及长度会变大,空化区域的轴向长度增大,湍流动能亦随之增大,空化程度更剧烈;阀座扩展角的增加促进下游流道中油液速度的充分发展,空化面积减小、空化程度减弱。因此,工程上选取合适的结构参数,有利于抑制空化现象,从而达到延长调节阀使用寿命目的。综上,对调节阀空化流场特性开展研究,对丰富调节阀结构与特性,精确控制调节阀流量,优化设计阀腔/阀芯结构和液压阀节能、降噪、液动力补偿的研究提供一定的理论指导作用。同时,本文的研究成果也可推广到调节阀多相流的空化失稳分析、结构优化设计、局部强化处理等安全保障工程,经济效益和社会效益显著。该论文有图98幅,表3个,参考文献135篇。