2024届 于龙杰博士论文《氢气减压阀组调压稳定性及优化方法研究》

车载氢气减压阀组作为供氢管路中的重要部件之一，对氢气的流量、压力稳定等精确调节起到关键性的作用。然而氢气减压阀组面临着大压差（最大35/70MPa减小到0.2~2MPa）、宽进口压力区间（3~70MPa）、宽流量调节范围（0~7g/s）等严苛工况，往往导致氢气减压阀组产生调压稳定性差的问题。氢气的调压稳定性体现在动态与静态方面，其中动态稳定性指在恒定进口压力下，阀后压力随时间的变化维持相对稳定；静态稳定性指在有效进口压力范围内，阀后压力在不同工况下尽量稳定于设定出口压力。气体节流产生的流致激励则会导致阀芯组件自激振荡，进而影响减压阀组的动态调压稳定性；减压阀组的静态调压稳定性的好坏通过压力调节特性曲线的走势判定，与阀芯组件参数设计相关。因此，深入开展氢气减压阀组调压稳定性及优化方法研究，有助于完善氢气减压阀组阀芯组件的设计理论体系。

本文在国家自然科学基金项目“组合式阀芯实现大可调比高调节精度的设计原理和方法”（52175067）和浙江大学-中核科技高性能控制阀联合研发中心的校企合作项目“高压储氢瓶用瓶口阀组及调压阀组研发”的支持下，聚焦高压氢气减压阀组的调压稳定性，从阀芯节流流致激励、阀芯组件振荡特性和压力调节特性曲线三个方面研究了影响减压阀组调压不稳定的成因，以及针对阀芯组件开展相应的阀芯结构、摩擦滞回参数和阀芯组件参数的优化设计以实现提高调压稳定性的效果。主要的研究内容和成果如下：

（1）构建了一级平行、轴向扩张锥形阀芯和二级曲面、平面阀芯的节流流动激励分析模型，通过理论与实验验证了模型的有效性和准确性。开展了阀芯结构参数对潜在的边界层/激波扰动、涡流拟序结构、强射流剪切等流动分离导致现象演变规律的影响研究。基于上述不同阀芯结构形式的流动分离特点，开展熵产分析以定量评价几种阀芯结构产生的气动阻力大小（减压能力），同时以湍流耗散占比表征各阀芯相同气动阻力中流致激励水平。进一步探讨流动分离、流致激励及气动阻力的内在成因及相互作用机理。

（2）建立了阀芯组件弹性体与阀体的非线性接触模型，揭示了过盈量对接触面轴向接触压力分布规律，推导了弹性体与阀体轴向非均衡分布接触压力的摩擦力-位移滞回曲线，进而探究了接触压力分布对预滑动阶段非线性影响的程度。分别通过多尺度方法和Runge-Kutta方法分析了摩擦滞回下阀芯组件非线性动力学系统的共振特性和分叉特性，包括系统参数对小激励下共振、大激励下次谐波共振特性的影响，以及激励频率、激励幅值对阀芯组件混沌、分叉特性的影响。

（3）建立了氢气减压阀组的压力调节特性曲线仿真分析模型，基于实验验证了该模型的准确性，分别分析了弹簧预紧力、弹簧刚度、阀口直径和反馈腔直径对单级减压阀及氢气减压阀组的压力偏差、有效进口工作区间和压力调节特性曲线线型的影响规律。基于氢气减压阀组性能测试实验台设计了减压阀组压力调节特性曲线的试验操作流程，通过试验测试验证了该测试方法的可行性。

（4）基于上述研究，分别从动态和静态方面开展调压稳定性优化方法研究。首先，针对一级轴向扩张式锥形阀产生的激波/边界层不稳定干扰流动，采用阀芯鼓包优化结构能有效抑制流动分离并降低小β角下湍流耗散熵产在总熵产中的占比。其次，分析Dhal摩擦滞回曲线的摩擦角、刚度系数对阀芯组件减振性能的影响，提出了摩擦滞回曲线的优化方法。最后，选取影响压力调节特性曲线的阀芯组件敏感性参数，通过响应面拟合回归分析，获得氢气减压阀组压力调节特性曲线的预测方程，利用多目标遗传算法开展阀芯组件参数的优化，能显著改善优化后35MPa、70MPa减压阀组的压力调节特性曲线。