固体颗粒的冲蚀磨损是一种典型的磨损方式,它是由于细小的固体颗粒反复冲击而导致的。在许多工程系统中,如蒸汽轮机和喷气涡轮机、输送颗粒管道和阀门以及流化床燃烧系统,冲蚀磨损是一个严重的问题。在固液两相流工况下,冲蚀磨损是导致调节阀失效的主要原因。因此,本文针对固液两相流工况下的调节阀冲蚀磨损现象进行研究分析。受多种生物的表面形态、微观结构和内层组织启发,将其多种功能整合在一起,运用复合类比设计方法对阀芯结构进行改进,通过数值模拟和实验分析了新型仿生阀芯冲蚀磨损状况。首先,对多种抗冲蚀生物进行研究,发现沙蟒的非光滑表面、竹子和沙漠蜥蜴的软硬交替梯度结构以及竹子内部细胞结构可以抵抗冲蚀或耗散粒子冲击力。受多种生物结构启发,针对调节阀芯易冲蚀磨损的问题,将其三种结构耦合,设计一种多源耦合仿生抗冲蚀阀芯结构,该结构能够改变粒子冲蚀轨迹和冲击过程的能量分配,进而提高了其耐冲蚀磨损性能。其次,运用Fluent对阀芯表面冲蚀磨损状况进行仿真分析,发现仿生凹坑表面可以提升阀芯表面抗冲蚀能力。对调节阀进行流场分析,又进一步探究不同开度下阀芯的冲蚀磨损情况,然后,运用仿生理论对耐冲蚀生物进行相似性分析,建立工程模型。数值模拟得到非光滑凹坑结构能够提升阀芯密封面的抗冲蚀磨损能力,并从流体速度、粒子轨迹和粒子冲蚀角等角度分析了抗冲蚀磨损的原因。然后,运用多元耦合仿生方法将沙漠蜥蜴和竹子的梯度夹层结构映射到调节阀芯上,对其阀芯的复合夹层结构进行仿真分析,发现仿生梯度NS夹层阀芯具有更好的耐冲蚀磨损性能。运用Isight优化平台对仿生夹层结构进行优化计算。采用优化实验设计方法分析每个变量对目标函数的贡献度,并对各胞元结构进行优化,分析结果得到最优胞元结构。最后,搭建调节阀冲蚀磨损实验系统,对不同结构的调节阀芯进行冲蚀磨损实验。通过采用定性和定量的方法分析其实验结果,验证仿生结构抗冲蚀能力的有效性,最终获得性能最优的仿生抗冲蚀阀芯。