一种物理引导的跨尺度闭合映射方法，用于加速阀管系统中的局部响应预测

《International Journal of Heat and Fluid Flow》：A physics-guided cross-scale closure-mapping method for accelerated local response prediction in valve-piping systems

　　

•一种物理导向的封闭关系将未解析的阀间隙效应映射至系统尺度流动。•主干-辅助样条模型捕获了高动态范围的阻力特性。•压降误差低于2%，耗时仅为高保真求解器时间的23.3%–52.0%。•该封闭关系在六种基线拓扑几何变体下保持稳健。•稳态标定可预测准稳态阀门开启瞬态。

引言

在带压阀–管路系统中，局部节流区域仅占整体流场的一小部分，但往往主导整个系统的水力响应。此类区域常见于安全阀、调节阀及其他在小开度条件下运行的调节组件。以往数值与实验研究表明，阀门开度、局部通道几何、流体激励、工作介质及空化行为均能显著影响阀门内部流场结构、压力损失、水力载荷及运行稳定性。特别是随着开度减小，强非线性阻力特性可能显现，局部非稳态效应还会进一步改变阀件组件的机械与液力响应（Dossena et al., 2013, Duan et al., 2019, Feng et al., 2025, Jiang et al., 2026, Wang et al., 2026, Zong et al., 2022）。上述发现表明，局部节流应被视为一种系统相关的水力机制，而非单纯的内部几何细节。

主要建模困难源于局部节流通隙与周围主管道之间显著的尺度差异。在重新落座、泄漏调节或极小开度工况下，间隙特征尺度可能减小数个数量级，而工程关注的量仍为系统尺度响应，如压降、等效阻力、通流能力、压力波传播及动态稳定性。现有针对阀门连接系统、跨尺度泄漏、多尺度压力演化及压力瞬态的研究表明，宏观响应高度依赖于局部水力行为的表征方式。此外，基于有限元与特征线的算法也已被开发用于解析管路系统中瞬态压力与水锤波的传播（Afshar and Rohani, 2008, Kameswara Rao and Eswaran, 1993, Kochupillai et al., 2005, Song et al., 2023, Zhang et al., 2025, Zheng et al., 2019）。

进一步研究表明，瞬态压力预测不仅取决于可压缩性与波传播，还与所采用的数值算法、非稳态摩擦表征、管材及管路布置有关。在阀门相关应用中，两相排放及近期的数据驱动流场预测同样表明，快速的系统级模型仍需对局部阀门流物理过程进行充分描述（Dempster and Elmayyah, 2013, Garg and Kumar, 2020, Ghodhbani and Haj Ta?eb, 2017, Mesgari Sohani and Ghidaoui, 2019, Yang et al., 2025）。然而，在完整阀门–管路模型中显式解析微尺度节流通隙计算代价高昂。随着开度减小，所需网格分辨率急剧上升，数值刚性更为突出，收敛性亦可能恶化。因此，实用的跨尺度模型应在不重复解析其完整细尺度流场的情况下，保留局部间隙的主导水力影响。

为解决涉及宽空间与时间尺度的问题，已发展了广泛的计算多尺度策略。多尺度CFD、混合模拟、介观建模、无方程方法、粒子方法以及统一公式为局部与系统尺度间的信息传递提供了不同机制。当无法进行全域高分辨率计算时，这些方法为表征未解析输运过程与耦合物理域奠定了重要理论基础（Chen et al., 2014, Drikakis et al., 2019, Gerosa and Marsden, 2024, Karmakar and Dalal, 2026, Liu et al., 2015）。基于连续介质的多尺度处理、微连续介质公式、先进工程CFD、浸入几何分析及罚方法进一步改善了多孔区域、复杂边界、未解析障碍物及耦合流体–结构系统的表征（Fuchsberger et al., 2022, Lan et al., 2022, Soulaine and Tchelepi, 2016, Takizawa et al., 2017, Wang et al., 2021, Zhu et al., 2020）。

对于涉及移动边界与演化界面的问题，时空公式、滑移界面技术、拓扑变化方法、等几何离散化及载体域策略显著提升了求解几何复杂且强非稳态流动过程的能力（Liu et al., 2024, Tezduyar and Takizawa, 2025）。当详细界面运动与局部流场结构为主要关注量时，这些方法尤为有效。然而，它们通常需要显式几何表征、直接边界追踪或局部域的高分辨率重构。因此，将其直接应用于反复的系统级计算、参数研究与工程优化时，计算代价可能仍然高昂，尤其是当局部节流通隙比周围通道小数个数量级时。

困难进一步加剧，因为微尺度节流区域并非宏观通道的简单几何缩小版本。随着特征尺度减小，其水力行为可能对表面粗糙度、温度相关黏度、受限空化、稀薄效应、壁面温度效应、粗糙度接触及磨损日益敏感（Jia et al., 2019, Kolli et al., 2022; S. Zhang et al., 2024; X. Zhang et al., 2023）。微尺度表面纹理亦可能通过改变局部流通道与近壁输运特性，修改阀门相关界面的水力行为（Chen et al., 2019）。这些研究表明，未解析局部区域既可能几何尺度很小，也可能物理过程复杂。然而在许多阀–管路模拟中，主要工程目标并非重构每一个局部涡、压力脉动或近壁结构，而是以紧凑形式保留局部节流区域的主导压降与阻力效应，并使其能够纳入宏观尺度控制方程。

从更广泛的建模视角看，该目标与降阶建模、多保真建模、数据驱动封闭构造及物理信息代理建模相关。本征正交分解（POD）及其他基于投影的降阶模型通常从高维流场快照构建低维表征，随后在降阶空间中重构或演化全局流态。基于机器学习与多保真的降阶方法引入非线性映射，以在高保真数据有限时改善场预测。数据驱动封闭策略学习未解析相互作用的修正项，而物理信息模型则将控制方程或物理先验知识纳入学习过程（Bian et al., 2025, Botarelli et al., 2025, Manti et al., 2025, Nakamura et al., 2024, Prakash and Zhang, 2024, Wu et al., 2026）。尽管降阶模型与场代理方法在流场重构与降阶状态演化方面取得了显著进展，数据驱动封闭方法也改善了未解析物理相互作用的表征，但在阀–管路应用中，相较于构建一种紧凑、物理解释清晰且面向输出的封闭关系，将未解析阀门节流通隙的主导阻力效应直接传递至宏观动量方程方面，尚受到相对有限的关注。

因此，微–宏观跨尺度节流流动建模仍存在若干具体挑战。第一，未解析间隙的水力效应需以与宏观守恒方程相容并保留清晰物理意义加以表征。第二，等效阻力响应可能在较宽开度范围内跨越数个数量级。在原始变量空间中直接拟合因此可能受到尺度失衡、高敏感区间表征不足、局部振荡及违反预期单调阻力趋势的影响。第三，高保真CFD样本计算代价高昂，而建模难度在开度域内分布不均匀。均匀采样可能向平滑区域分配过多样本，而在强非线性或过渡区间提供的信息不足。现有方法尚未提供一体化工程框架，同时解决面向未解析阀门节流通隙的物理可解释阻力构造、高动态范围响应表征、物理趋势保持及面向高保真样本的错误驱动分配问题。

为应对这些挑战，本研究提出一种物理导向的跨尺度封闭映射框架，用于阀门–管路系统中局部响应预测的加速。原始流问题被分解为宏观守恒域与微尺度节流子系统，二者通过紧凑界面相连。构建Darcy–Forchheimer型主干组件，以表征主导的开度相关阻力趋势；同时，独立标定的辅助组件用于补偿以等效动量源区域替代显式解析间隙所引入的系统性偏差。采用尺度一致的特征变换以压缩阻力响应的高动态范围并重新分配高敏感开度区间。进一步引入数据一致性、结构稳定性及物理可容许性约束，以保持主导水力趋势并抑制非物理局部振荡。此外，开发了一种由局部敏感性、局部非线性及验证误差反馈驱动的自适应样本富集机制，以便将额外高保真样本优先分配至困难区间。

本文其余部分组织如下：第2节给出带压阀–管路系统中微–宏观跨尺度节流流动问题的数学描述，并引入封闭映射框架。第3节描述代表性节流构型、高保真CFD实现，以及在典型工况、几何扰动构型及瞬态开度变化下的结果。第4节总结主要结论。

问题描述

在带压阀–管路系统中，小开度工况下阀门内的局部节流流动通常表现出显著的微–宏观跨尺度特征。对于此类问题，宏观主管道保持相对稳定的几何尺度。相比之下，主导主要压降分布与局部阻力特性的区域被限制在阀芯与阀座之间的微尺度间隙内。该间隙远小于主流

代表性节流构型与数值实现

为对所提出的微–宏观跨尺度封闭映射框架进行具体验证，选用一种小开度工况下的精密调节阀作为原型，如图5所示。该阀门由阀体、阀盖、阀杆、导向机构、阀芯、阀座及主管道等组成，其中阀芯与阀座之间形成的局部微间隙是决定节流特性与压降响应的关键区域。

结论

针对小开度工况下带压阀门中微尺度节流通隙与宏观主管道共存所引发的微–宏观跨尺度流动问题，本研究提出一种物理导向的封闭映射方法，旨在表征未解析微尺度区域的主导水力效应。微尺度节流通隙对宏观控制方程的影响通过一种由几何参数、流态等紧凑映射加以表征。

CRediT作者贡献声明

马新奥：写作–审阅与编辑，写作–初稿撰写，形式分析，数据整理。左佳乐：可视化，调查研究，形式分析。刘富文：可视化，形式分析。王牧尘：验证，方法学。顾玺：监督，概念化。宋学管：监督，调查研究，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明，不存在可能影响本文报告工作的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究受科技部重点研发计划"科学挑战项目"（编号TZ2025003）及国家自然科学基金杰出青年科学基金项目（编号52425509）支持。

马新奥 | 左佳乐 | 刘富文 | 王牧尘 | 顾玺 | 宋学管