关于多级迷宫式减压阀中氢气流动特性及能量耗散的数值研究

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：A numerical study on the hydrogen flow characteristics and energy dissipation within a multi-stage labyrinth-type pressure reducing valve

　　•采用经过验证的CFD模型对多级迷宫式氢气减压阀进行了数值研究。•系统地分析了挡板角度、挡板表面形状和末端流道配置对氢气流动行为的影响。•在压力比为7的情况下，60°的锐角挡板比90°挡板平均出口马赫数降低了20.08%。•在大多数工作条件下，凹形挡板表面表现出较低的涡流耗散率，显示出优越的能量耗散控制能力。•渐进式减小末端流道有效地降低了出口马赫数，但会引发具有局部压力恢复和相关噪声风险的冲击波。

引言
近年来，氢气作为一种核心清洁能源，支持着碳中和和峰值碳排放的可持续发展。氢燃料电池汽车因其零排放、长续航里程和高能量转换效率，已成为交通运输领域的发展方向[1]、[2]、[3]。加氢站中的氢气以高压（30 MPa、45 MPa或90 MPa）储存，而车载氢存储罐通常在标准压力35 MPa或70 MPa下工作。在供氢过程中，高压氢气通过减压阀降低到稳定的0.16 MPa，然后进入燃料电池进行电化学反应[4]。然而，由于氢气的分子很小且具有很强的渗透性，因此对减压阀的密封性能要求非常高；任何泄漏都可能导致能量损失和爆炸风险。此外，车辆启停循环和加速/减速等动态工作条件要求减压阀能够提供高度精确的压力控制[5]、[6]。因此，专业的高压氢气减压阀已成为车载氢气供应系统中的关键技术瓶颈。

目前，常见的高压流体减压结构有四种类型：球阀、特斯拉阀、针阀和迷宫式减压阀。这些阀门类型在高压氢气条件下都存在显著的性能限制。球阀依靠球形闭锁元件和特殊的流道来实现高压关闭和减压；然而，它们具有复杂的整体结构、高制造成本、难以密封以及不足的压力调节精度[7]、[8]。特斯拉阀是无运动部件的止回阀，利用从直线到曲线的循环通道中的流体惯性来实现单向流动，具有较低的前向流动阻力。但是，其复杂的阀芯流道的加工成本较高，且在低速条件下单向节流效果显著减弱甚至失效[9]、[10]。针阀通过针形阀芯和阀座之间的环形间隙实现精确节流，在压力控制精度方面表现出色。然而，它们的单级减压限制较低，需要多级节流配置。此外，节流段过高的流速会导致严重的温度下降，容易在流道内引发结冰和气蚀[11]、[12]。与这三种传统阀门类型相比，如图1所示的迷宫式减压阀由多个带有凹槽的金属盘层叠而成。流体通过多个级别的弯曲微通道逐渐消耗压力，从而实现大压差下的平稳减压、精确控制流速、有效抑制气蚀和流动噪声，并延长阀门使用寿命——使其更适合高压氢气应用中的连续、稳定压力调节要求[13]。

目前，国内外学者对迷宫阀、多级节流阀和多孔节流结构进行了广泛的数值模拟和实验研究。研究表明，流道几何参数对压降、马赫数、能量耗散和流动稳定性的影响机制，为迷宫阀结构的优化提供了核心理论支持。Wang等人[14]对不同通道几何特性下的超临界二氧化碳的流体动力学和能量损失机制进行了数值研究。Li等人[15]研究了节流通道几何参数对泄压阀压降和马赫数的影响，确认过大的膨胀系数会破坏泄压阀的稳定性，减小内壁半径、匹配合理的通道深度以及增加节流级数可以优化压力分布，降低出口马赫数，并减少流体动能的积累。Chen等人[6]设计了专门的迷宫节流通道，建立了马赫数和能量损失之间的线性关系，并提出了选择大量节流单元、减小流道宽度和节流级数增加的优化思路。Xu等人[16]基于经过验证的大涡模拟模型数值方法，研究了机械能传输和损失的机制以及能量损失的影响。Jin等人[17]评估了多种结构参数下通道的能量耗散特性，指出通道变化会显著增加出口湍流强度，前两个节流单元主导了整体能量损失，出口区域的气蚀效应最明显，并为大压差和大流量的通道提供了最佳结构配置。Qian等人[18]研究了特斯拉阀内的气动噪声和能量损失，并以马赫数、湍流耗散率和振动能量损失作为评价标准。Yue等人[19]进行了数值模拟，研究了压力阀迷宫通道内的速度和压力分布模式，得出串联通道能有效实现减压效果，而并联通道更适用于流量调节。Geng等人[20]提出了一种基于移动网格和UDF的数值模拟方法，探讨了迷宫调节阀在瞬态开闭过程中的流动和热特性。研究结果表明，迷宫的第三层具有最强的减压能力，其性能取决于入口单元的数量和周向宽度；随着开启程度的增加，减压能力减弱。开启过程中的峰值热熵产生率比关闭过程中高12.9%。Chen等人[21]提出了一种结合实验和数值模拟的方法，揭示了多级节流阀内SHS流动的流体动力特性，并使用正交设计方法优化了节流组件。Jin等人[22]提出了一种带有多孔涂层阀芯和复合孔板的多层减压阀，用于氢气站的压力稳定。这种阀门具有宽的流量调节范围，不易堵塞，其氢气流动特性类似于过热蒸汽。Wang等人[23]进行了数值模拟，研究了S-CO?在迷宫通道中的流动特性，结果表明流速的法向梯度是增加粘性耗散和限制出口动能的关键策略。Wang等人[24]使用CFX方法模拟了迷宫调节阀的内部流场特性，并根据模拟结果分析了不同阀芯开启程度下的内部流场特性。Wang等人[25]提出了一种新的多目标优化策略，以实现阀门组件的轻量化设计、减少最大等效应力和合理分配密封压力比。Zhang等人[26]研究了不同介质参数下V型调节球阀的侵蚀特性和密封性能，为提高其耐磨性和密封性能提供了理论参考。Chen等人[27]系统回顾了由固体颗粒引起的腐蚀机制、气蚀效应以及流动动力学对阀门完整性的影响。Ding等人[28]提出了一种考虑初始状态和老化状态的性能优化设计方法，并系统分析了结构参数对密封性能的影响。

所有这些研究一致证实，流道的几何尺寸、节流级数和通道轮廓直接改变了内部压力、流速和湍流损失水平。同时，阀体结构配置、密封结构参数和工作条件适应性的设计也是影响阀门综合性能的关键因素。然而，现有研究主要使用超临界二氧化碳、天然气和蒸汽作为介质，对于70 MPa车载高压氢气的参数分析相对较少。此外，研究变量主要集中在通道宽度、节流级数和孔板直径上，而没有系统分析挡板和末端流道等核心组件的几何影响规律。

总之，迷宫流道的几何参数是调节阀门压降、马赫数和能量耗散的关键变量。前述学者采用的参数分析方法和模拟评估指标可以为本研究提供重要参考。然而，现有系统存在研究不足：首先，大多数相关几何参数优化研究适用于一般工业流体，缺乏对车载高压氢介质系统的系统分析；其次，现有研究变量主要集中在全局尺寸设计层面，如通道大小、节流段或孔板尺寸，但缺乏对挡板（如挡板角度、挡板表面地形和末端流道轮廓）的局部拓扑设计层面的分析。这三个核心内部组件之间的耦合效应规律尚未得到定量揭示；同时，也缺乏适用于35–70 MPa车载氢气供应压差条件的迷宫流道的专用优化设计基础。基于上述研究空白，本文选择了三个较少深入讨论的几何参数作为研究变量，即挡板板的角度、挡板板的表面结构和末端流道的形状。使用压力、马赫数和涡流耗散率作为定量评估指标。通过控制变量和数值模拟，研究探讨了这三个结构参数对阀门压力场、流动状态和能量损失的影响规律。相关研究结果可以改进高压氢气专用迷宫减压阀的流道设计理论，并为氢气加氢站和车载氢气存储系统的高压减压组件的开发提供理论基础和设计思路。

模型假设
(1) 阀体的机械结构稳定，几乎不会发生变形。
(2) 氢气是一种纯净的、可压缩的连续介质，处于理想的热力学状态。
(3) 阀体表面光滑，与氢气接触时没有摩擦。
(4) 阀体与氢气之间没有热量交换，视为绝热过程。
(5) 氢气在阀内的流动被视为稳态流动。

几何模型
本文提取了......

湍流模型
在高压差下，当氢气通过迷宫通道流动时，惯性力在流体颗粒之间起主导作用，导致湍流行为。尽管标准k-ε模型对氢气在迷宫通道中的流动预测能力可能略弱于其他主流湍流模型，但它广泛用于CFD模拟，并在计算效率和精度之间取得了良好的平衡[5]。此外，k-ε模型适用于......

网格独立性验证
网格划分是CFD研究中不可或缺的步骤，划分网格的质量会影响CFD的计算精度。当网格单元太大时，CFD的计算结果会有较大的误差。然而，随着网格单元变小，CFD的计算精度将显著提高，但这会导致所需计算时间的显著增加。因此，本节重点讨论网格独立性的验证......

不同挡板角度对流场的影响
本节分析了三种不同角度的挡板（RABP，θ = 90°；AABP，θ = 60°；OABP，θ = 120°）对不同压力比下迷宫型通道减压阀内部流场的影响。流场的物理参数，包括压力、马赫数和涡流耗散率等，被作为主要研究参数。马赫数的计算公式为：[33] Ma = uc / c，在该公式中，u表示氢气的流速，c表示……（原文此处数据缺失）。

**结论**
本研究通过数值模拟对一种多级迷宫式氢气减压阀进行了深入分析，系统探讨了三个几何参数（挡板角度、挡板表面形状以及末端流道形状）对迷宫通道内氢气流动行为的影响。主要结论如下：
(1) 挡板角度的影响：当挡板角度为60°（AABP）时，有助于降低平均出口马赫数。

**作者贡献声明**
方毅：撰写——原始稿件、验证、软件开发、数据调查、形式分析、数据整理。
周慕尧：撰写——原始稿件、数据可视化、软件调试、数据调查、形式分析、数据整理。
朱恩明：撰写——原始稿件、数据可视化、数据调查、形式分析。
戴毅明：撰写——审阅与编辑、数据可视化、验证、形式分析。
姚美红：撰写——审阅与编辑、资源提供、方法论构建。
王向阳：……（原文此处数据缺失）

**资助情况**
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52505242）和中国山东省重点研发计划（2024TSGC0444）的支持。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

**致谢**
本研究还得到了2026年大学生创新创业培训项目的支持。

**作者列表**
方毅 | 周慕尧 | 朱恩明 | 戴毅明 | 姚美红 | 王向阳 | 李继强 | 全正泰