《International Journal of Heat and Fluid Flow》：Experimental and numerical research on vortex street flow oscillation characteristics in pre-stage of deflector jet servo valve
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•大涡模拟（LES）和流动可视化揭示了预腔中的涡街振荡现象。•该振荡是自持的，由涡旋脱落和压力反馈驱动。•频率随压力和沟槽宽度的增加而升高，随接收口宽度的增加而降低。•喷嘴出口宽度引起振荡模式转变。•提出了一个无量纲参数来缩放主频率。引言电液伺服阀因其结构紧凑、响应迅速和控制
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大涡模拟（LES）和流动可视化揭示了预腔中的涡街振荡现象。
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该振荡是自持的，由涡旋脱落和压力反馈驱动。
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频率随压力和沟槽宽度的增加而升高，随接收口宽度的增加而降低。
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喷嘴出口宽度引起振荡模式转变。
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提出了一个无量纲参数来缩放主频率。
引言
电液伺服阀因其结构紧凑、响应迅速和控制精度高，是高精度电液伺服系统中不可或缺的部件（Lv et al., 2021, Chuan et al., 2026, Ye et al., 2025, Tang et al., 2025）。在三种典型的机械反馈配置——喷嘴挡板、射流管和偏转射流中，预腔作为能量转换和压力调节的核心单元，直接决定系统的稳定性和可靠性（Tamburrano et al., 2019, Yuan et al., 2020）。随着对高功率密度和快速动态响应需求的不断增加，内部流速显著上升，加剧了射流与周围流场之间的相互作用。这一过程增强了压力振荡，可能引发预腔内的自持振荡，同时对关键部件施加持续的侵蚀载荷。这些效应加速了疲劳退化，损害了长期动态稳定性（Lu et al., 2022, Peng et al., 2024）。因此，严格理解和建模预腔流动动力学对于机械反馈伺服阀的性能提升至关重要。
在对机械反馈电液伺服阀预腔流场的研究中，早期研究主要集中在稳态流动建模和压力特性预测，旨在建立用于性能评估和理论计算的分析模型。关于稳态压力-流量建模，Saha等人（2020a）通过数学建模与实验相结合的方法，研究了偏转射流伺服阀预腔在各种流动条件下的压力特性，为流动特性预测奠定了基础。为解决传统节流模型精度有限的问题，Kang等人（2022）基于二维冲击射流机制，推导了射流管伺服阀预腔的稳态压力-流量模型，并验证了其有效性。从三维流动的角度出发，Li等人（2022b）开发了包含湍流射流和卷吸机制的偏转射流伺服阀预腔数学模型，实现了对稳态压力特性的精确预测。同时，越来越多的关注被投入到结构缺陷对稳态性能波动的影响上。Ren等人（2022）构建了三维解析模型，确定偏转板安装误差和分流尖加工误差是性能变化的主要贡献因素，并提出了相应的优化策略。从能量转换过程出发，Liu等人（2025）将射流演化分为多个阶段，建立了不依赖数值仿真的解析模型。Zhang等人（2022）采用数值模拟研究了喷嘴偏置对压力对称性的影响，揭示结构不对称性显著增加压力损失并降低流量稳定性。
上述研究为机械反馈电液伺服阀预腔的稳态流动建模建立了理论基础。然而，随着工作压力和流速的不断增加，预腔内部流动逐渐表现出明显的多相和非定常特性，使得纯粹的稳态模型无法准确描述实际流动行为。在高压差节流条件下，孔口附近的局部压力可能降至液体饱和蒸气压以下，从而引发空化。在各种液压阀中，空化通常发生在高速射流和节流区域（Yao et al., 2025, Han et al., 2017, Chen et al., 2024）。Lu等人（2024）采用大涡模拟结合流动可视化实验，阐明了滑柱阀中的空化机制，并将长径比确定为控制空化形态的关键参数。在伺服阀预腔方面，Saha等人（2019）应用大涡模拟研究了空化起始条件，证明入口压力和流体黏度的增加显著加剧了空化强度。Zhou等人（2019b）通过高压侵蚀试验验证了空化对阀体稳定性和结构失效的显著影响。此外，Saha等人（2020b）表明结构优化可以有效减轻空化强度及相关压力振荡。
相关研究表明，空化不仅影响稳态流动建模的精度，还可能引发压力振荡。然而，进一步分析表明，预腔内观察到的周期性压力波动并不完全由空化所控制。即使在没有明显空化的情况下，系统仍然可能表现出显著的周期性振荡行为。为阐明预腔中的压力振荡现象，Abdallah等人（2023）采用大涡模拟研究了关键结构参数对振荡特性的影响，揭示了预腔内存在显著的周期性流动不稳定性。Li等人（2015）通过实验和频谱分析证明，射流管伺服阀中由剪切层不稳定性触发的自持压力振荡是高频噪声的主要来源，且随着供油压力的升高，振荡幅度显著增加。
涡街流动振荡是流体力学中的经典现象。当黏性流体流过钝体时，下游区域交替生成和脱落涡旋，形成称为冯·卡门涡街的周期性阵列。这一现象最早由H. Bénard通过实验观察到，随后由T. von Kármán从理论上进行了解释，并建立了著名的涡街稳定性判据。Strouhal引入了无量纲频率参数——斯特劳哈尔数，从而建立了涡旋脱落频率、来流速度和特征尺度之间的定量关系。后续研究将这一理论框架扩展到更复杂的构型中，包括多圆柱排列、圆柱形状变化以及多种边界条件（Le Gal et al., 1990, Jia and Xu, 2025, Yu et al., 2024）。在伺服阀预腔研究领域，先前的研究采用大涡模拟研究了喷嘴挡板伺服阀的预腔，揭示射流与挡板的相互作用可以产生交替涡旋并引发周期性振荡（Lu et al., 2019）。然而，偏转射流伺服阀预腔中涡街流动振荡的形成机制及其主频率变化规律尚未完全阐明。本研究聚焦于偏转射流伺服阀的预腔，通过结合大涡模拟与缩尺流动可视化实验，考察预腔内涡街流动振荡的形成机制和演化特征。本文其余部分组织如下。第1节介绍研究背景和动机。第2节描述预腔流场的数值模型及相应的实验方法。第3节重点关注预腔内涡街流动振荡的形成机制，通过实验和数值结果的对比分析，研究入口压力和关键结构参数对涡街流动振荡幅频特性的影响，包括主频率的无量纲分析。最后，第4节总结了本研究的主要结论。
章节摘要
流场域提取
偏转射流伺服阀预腔的流场由几个关键部件组成，包括射流喷嘴、偏转板和两侧的接收口。液压油从射流喷嘴喷出后，冲击偏转板V形沟槽的侧壁，随后流经偏转板与射流盘分流尖之间形成的狭窄通道。如图1所示，复杂的非定常流动结构在……（原文截断）
涡街流动振荡响应
基于第2节建立的数值网格方案、求解策略和流动可视化实验系统，在入口压力1.5 MPa、出口压力0.1 MPa的工作条件下，对偏转射流伺服阀预腔中的涡街流动振荡进行了数值与实验的对比研究。为表征振荡响应，对数值监测点的压力信号进行了快速傅里叶变换（FFT）分析……（原文截断）
结论
本研究通过数值模拟和可视化实验研究了偏转射流伺服阀预腔中的涡街流动振荡机制及主频率变化规律。研究发现，
（1）通过大涡模拟和流动可视化实验，在偏转射流伺服阀预腔中观察到明显的主射流周期性交替偏转现象。对涡系结构和压力等值线的分析进一步揭示……（原文截断）
CRediT作者贡献声明
Liang Lu（路良）：写作——审阅与编辑、指导、资源、概念化。Chengzong Tang（唐承宗）：写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、方法论、调查研究、形式化分析。Lingxiu Meng（孟令秀）：验证、指导。Guolei Si（斯国磊）：指导、项目管理。
利益冲突声明
作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能被认为会影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到国家自然科学基金（编号52375060）的资助。
路良|唐承宗|孟令秀|斯国磊
