阀门是核电、石化、医药等行业中非常重要的流动和压力控制元件,其节流处在高压差工况下容易出现空化现象。空化不仅会对阀门自身结构造成破坏,还会引起管路系统的振动、噪声等一系列问题。为保证阀门的正常使用,开展阀内节流处的空化发生机理与空化抑制方法的研究具有十分重要的意义。本文在国家自然科学基金“活塞式阀芯的不平衡力矩形成机理及优化研究”(51805470)、“大容量极端工况减温减压装置设计理论、方法及关键技术研究”(51875514)、浙江省重点研发计划项目“重特大工程高性能特种控制阀开发及示范应用”(2019C01025)以及浙江省自然科学基金“复杂工况减温减压系统噪音发生机理和降噪技术研究”(LZ17E050002)的支持下,主要针对直线运动驱动阀门的节流处(以一种具有典型结构的节流截止阀为例)和旋转运动自动阀门的节流处(以机械心瓣为例,本文中称为止回阀),采用数值模拟方法与实验方法,分析了阀内节流处在稳态固定开度、瞬态启闭过程中的空化发生机理,提出了对应的空化抑制方法。主要研究内容和成果如下:(1)搭建了节流口空化发生装置,采用实验方法,测量了空化发生时流经节流口的流量与压降。建立了流动特性和空化特性的计算模型,分析了微尺度节流口的空化特性,并与宏观尺度节流口的空化特性进行了对比,获得了节流口尺度对空化特性的作用关系。研究结果表明:实验方法和数值模拟方法得到的数据误差小于10%,证明了数值模拟方法准确可靠。比较微尺度与宏观尺度节流口,二者的流速、压力、空化形态的分布基本相似,但是在相同出口压力下,微尺度节流口的空化初生压比低于宏观尺度节流口,且在节流口长径比小于1时差别最为明显。(2)基于数值模拟方法,研究了直线运动节流截止阀节流处在阀门固定开度下的流动特性和空化特性,分析了节流截止阀节流处的空化发生原因和空化发生对阀杆所受液体力的影响,讨论了节流截止阀的结构和边界条件对节流处空化的抑制作用。研究结果表明:流体流经节流截止阀时,阀芯和阀座之间压强变化明显,在阀喉与阀门出口段连接处存在低压区并伴有空化发生。对于阀门所处的管路系统,若阀门上游压力保持不变,则大开度下阀内节流处空化强度大,且空化的发生会减小阀杆所受横向力;若阀门上游流速保持不变,则小开度下阀内节流处中空化强度大,且空化的发生会增加阀杆所受横向力。此外,增加节流截止阀阀体的偏移距离、弯曲半径以及曲率半径可以减小阀内节流处的空化强度,减小阀门上游压力或增加阀门下游压力也能减轻或抑制节流处空化的发生。(3)基于主动型动网格方法,研究了直线运动节流截止阀节流处在阀门启闭过程中的空化特性。对比了阀门在启闭过程中的流量特性、阀杆所受横向力和阀内节流处的空化现象,分析了阀门启闭速度和阀芯结构形式对阀内节流处空化强度的影响,讨论了抑制空化发生和空化强度的方法。研究结果表明:阀芯底部结构为平底及梯形时,阀门的流量特性均满足快开流量特性,且阀芯的结构形式对阀门的流量特性曲线基本无影响。在两种阀芯结构下,中间开度时阀杆所受横向力最大。当阀芯底部结构为平底时,阀杆所受横向力比阀芯底部结构为梯形时大,且其最大值约为梯形结构阀芯的两倍。关闭过程中,当阀芯底部结构为平底时,阀门关闭速度越快,阀内节流处的空化强度越高;而当阀芯底部的结构为梯形时,若阀门关闭速度较低,阀内节流处的空化强度先减小后增加,在小阀门开度下仍有较大值。为了减轻阀内节流处的空化强度,当阀芯底部的结构为平底时,阀门应以较低速度关闭,而对于梯形底面结构阀芯,阀门关闭初期应采用较低速度,随后再采用较高关闭速度。(4)基于被动型动网格方法,研究了旋转运动止回阀的节流处在阀门周期启闭过程中的流动特性和空化特性。验证了数值模拟方法在解决止回阀节流处的空化问题的可行性,讨论了止回阀节流处的空化发生机理,提出了减轻止回阀节流处空化强度的方法。研究结果表明:阀瓣关闭瞬间的水锤效应和阀瓣对流体挤压引起的高速射流,是导致阀内节流处发生空化的两个主要因素。阀内节流处空化的发生和空化强度可以用阀瓣关闭瞬间的最高运动速度表征:阀瓣瞬间运动速度越高,节流处空化发生的可能性越高。阀门下游根部结构中,外旋轮线变截面流道中的阀瓣关闭速度最高,阀内节流处空化强度最强;圆形等截面流道中的阀瓣关闭速度最低,阀内节流处空化强度也最低,但是阀瓣在运动中不能完全开启;对于圆形变截面流道,过长的变截面段和过短的变截面段都会加剧节流处的空化强度,对于25毫米的流道通径来说,变截面段的长度应选取为10毫米。针对阀瓣的结构,转轴偏移距离的增加以及阀瓣厚度的增加均可以减轻阀内节流处的空化强度,但是过大的转轴偏移距离会导致阀瓣在运动中不能完全开启。