论文标题：Instability analysis and improvement of a high-pressure and high-flow air pressure-reducing regulator

期刊： Frontiers of Mechanical Engineering

作者：Zhixin ZHAO, Longlong GAO, Zhiwei YOU, Hejie HUAN, Baoren LI

发表时间：11 Aug 2025

DOI： 10.1007/s11465-025-0842-6

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高压气体具有高功率比与强快速膨胀能力，这一特性有助于实现元件小型化与高速驱动，进而提升系统动态性能，因此高压气动系统及其关键控制元件成为国内外流体传动与控制领域的研究热点，广泛应用于石油化工、深海装备、航空航天等众多行业。高压大流量空气减压阀（HPHFPRR）作为高压气动系统的核心控制元件，负责将气源压力调节至用户所需压力，为系统提供安全、可靠、稳定的压力源，其调压稳定性与精度直接决定整个系统能否安全平稳运行。然而，在实际工况中，HPHFPRR 在高压大流量条件下常出现出口压力骤升并超出初始设定值的失稳问题，严重时会导致下游安全阀动作，损坏设备仪器，威胁系统安全。

《Frontiers of Mechanical Engineering》（现已更名为《ENGINEERING Mechanical Engineering》）2025年第20卷第4期的研究论文《Instability analysis and improvement of a high-pressure and high-flow air pressure-reducing regulator》，针对 HPHFPRR 的失稳问题展开深入研究。不同于多数聚焦固定阀口开度下非定常湍流特性的研究，该研究通过仿真分析不同阀口开度下的瞬态流场特性，探究 HPHFPRR 内部流场变化及作用于阀芯的气流力规律，同时建立动力学模型深入分析阀芯与活塞的运动过程及受力情况，并对优化后的阀芯结构进行实验验证。

研究采用多区域块网格划分法构建流场计算模型，将其分为入口、阀芯、活塞和出口四个区域，通过 Fluent 软件计算 HPHFPRR 开启过程中的瞬态流场，选用可实现 k-ε 湍流模型与动态网格更新方法，结合网格与时间步长独立性验证确保计算精度。在此基础上，建立阀芯动力学数学模型，考虑气体流动特性与运动部件受力情况，分析阀芯与活塞的动态响应。

研究发现，作用于阀芯的气流力是导致 HPHFPRR 出口压力骤升的关键因素。随着阀口开度增大，阀芯上表面压力梯度分布减缓，气流力方向从促使阀口关闭转变为推动阀口开启，且大小逐渐增大。当阀芯所受向下气流力大于复位弹簧与活塞的合力时，阀芯与活塞分离，阀口失去调节能力，出口压力骤升。

基于此，研究以阀芯最大开度下的气流力为优化目标，选取阀芯高度、半锥角、通孔直径和圆角为设计变量，采用最优空间填充采样（OSF）生成样本点，结合 Kriging 模型拟合响应面，通过遗传算法进行全局优化。优化后阀芯的最大气流力降低 32.7%，实验验证表明，优化后的 HPHFPRR 出口压力未再出现骤升现象，有效解决了高压工况下的失稳问题，为高压气动系统的稳定运行提供了可靠保障。

关键词

高压；大流量；减压阀；失稳；优化设计

引用

Zhixin ZHAO, Longlong GAO, Zhiwei YOU, Hejie HUANG, Baoren LI. Instability analysis and improvement of a high-pressure and high-flow air pressure-reducing regulator. Front. Mech. Eng., 2025, 20(4): 26

https://doi.org/10.1007/s11465-025-0842-6

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