《流体与结构杂志》上发表的两篇科学论文概述了最近发表的研究成果
本文最初发表于2022年9月7日
全球范围内，能自豪地宣称自己在科学期刊上发表过经同行评审的文章的阀门公司并不多。
然而，经过一次产学研联合研究，Master Flo 现在可以宣称自己也是其中之一了。
这项研究是针对海上高流量气体应用中，正在使用的控制阀出现无法解释的节流调节件坍塌现象而开展的，目前已取得了一些令人鼓舞的发现。
“研究结果揭示了我们此前未曾了解的流动现象，这不仅推动了该领域的知识进步，也推动了科学事业的整体发展，”该研究的作者之一、Master Flo USA总经理弗兰克·科克表示。
对于科克来说，这项研究及其主导者——学生们所探讨的问题，自他首次接触以来就一直令他感到困惑。
“25年前，在我职业生涯的早期，我就曾遇到过类似的情况——性质相似、几何结构相似、阀门尺寸相似且流量相似的阀门发生无法解释的故障，”科克指出。“25年前，对（该问题）的分析能力还很有限。我们只能做到这一步，只能进行经验性测量，并根据实际测量数据推测原因。”
但过去二十五年间，情况确实发生了翻天覆地的变化。尤其是计算能力。
本研究过程中进行的分析工作是利用休斯敦大学的超级计算集群完成的。其中一篇探讨节流阀中不可压缩流的论文，通过该集群运行的每次模拟都需要七个小时。如果该模拟是在独立的CPU上执行，则需要49天。
在第二篇文章中，一项关于流过节流阀的可压缩流的研究，其仿真计算的要求要高得多。
每项任务在集群上耗时均超过50天，相当于8554天的单CPU时间。
科克表示，分析完成后，他们就该对结果进行验证了。
“我们设计并制作了一个全尺寸的亚克力模型，并通过粒子图像测速法（PIV）观察了流场，”他说，“该方法是在流场中‘播入’近乎无重力的微粒，这些微粒在流动过程中会保持悬浮状态。当这些微粒流经模型时，激光会照射它们，而高速摄像机则以每秒400帧的速率进行拍摄。”
该研究的合著者特雷弗·加贝尔正在组装由Master Flo提供的实验用亚克力模型。
高速摄像机拍摄到的视频为科克及其研究团队提供了所需的验证依据，使他们的论文得以发表，并将当前对节流现象的认识提升到了一个新高度。
该研究团队由休斯顿大学的工程学硕士生哈尔萨·米特拉（Harsa Mitra）领衔，他在完成关于该课题的论文提纲后，便被Master Flo公司录用。两位首席研究员——流体力学专家卡姆兰·阿尔巴（Kamran Alba）博士和数值分析专家罗道夫·奥斯蒂拉·莫尼科（Rodolfo Ostilla Mónico）博士——协助指导了他完成这项研究。本科生特雷弗·加贝尔（Trevor Gabel）以及Master Flo美国公司工程经理丹·威廉姆斯（Dan Williams）共同作为其余作者参与了该研究。
首席研究员哈尔萨·米特拉（左）与流体力学专家卡姆兰·阿尔巴博士。
“我对他们完成的工作非常满意，也为我们的学生感到自豪，”科克说道，“我们提供了资金支持——这笔资金数额不小——并设计了分析模型和物理测试模型，还协助修改了报告。但实际的数值分析工作是由米特拉和团队的其他成员完成的。他们慷慨地将（丹和我）列为该论文的共同作者，这让我们深感荣幸。”
有趣的是，这个无法解释的问题——至少就节流阀调节机构失效而言——早已由威廉姆斯及其工程团队解决了。他们设计了一种多端口、多金属调节机构，迄今为止，在这一特定的海上高流量气体应用中，该调节机构尚未出现任何后续故障。
不过，探究事件发生的原因，仍然是一项重要的科学——也是商业——追求。
“我们本不必这么做，”科克说，“但这是个让事情变得更好、更宏大的机会，让我们能够利用创造这一机会的现状。我们本不必进行这项分析，但既然能做，客户就会将其视为我们主动采取的举措，以此证明我们是该领域的专家。”
“我们在该领域的技术处于前沿地位，不仅了解其机械工程原理——这绝非仅仅是‘笨重的金属’——更要理解我们所生产的产品周围的流体动力学。”
那么，是否即将推出一种超级节流阀呢？科克表示未必，不过就近海高产率天然气应用而言，探索采用不同的节流阀设计以及可能使用的材料或许是有益的。
“这就是我们通过此次调查得出的建议，”科克总结道。“从这项研究中，我们完全可以推断出设计方面的‘应做’与‘不应做’。”