基于JFO空化和幂律模型的螺旋槽液膜密封流体动压特性

密封端面间润滑流体的非牛顿特性对密封的性能有重要影响。基于满足质量守恒的JFO空化边界条件及描述流体非牛顿特性的幂律模型,建立了考虑流体非牛顿特性的螺旋槽液膜密封数学模型。采用有限差分法对控制方程进行离散,通过SOR迭代方法对离散方程进行求解,得到了密封端面液膜压力分布。探讨了润滑流体的非牛顿特性对螺旋槽液膜密封的液膜承载能力、泄漏量、摩擦扭矩等性能参数及液膜中空化发生情况的影响规律。结果表明：随着幂律指数的增大,液膜承载能力先增大后减小,泄漏量和空化率增大,摩擦扭矩减小;幂律指数为0.96时,相对于牛顿流体,液膜承载能力提升约4.6%,密封端面空化率下降约98.6%,泄漏量下降约5.8%,摩擦扭矩增加约0.3%;随着操作参数的改变,不同幂律指数下的流体动压性能参数变化规律具有相似性;润滑流体的合理选择对液膜密封性能改善有重要意义。     

液膜密封润滑状态转变及性能分析

以螺旋槽液膜密封为研究对象,求解考虑流量因子的平均雷诺方程,研究工况参数和结构参数对密封端面润滑状态转变规律的影响。结果表明:随着转速升高,液膜厚度与液膜承载系数逐渐增加,粗糙峰接触力不断减小至消失,实现摩擦副分离;低黏度介质对临界转速的影响显著;随着压差的增大,临界转速与闭合力均呈线性增大的趋势;临界转速随槽深、螺旋角增大而增大,随槽数、槽坝比增大而减小,结构参数中槽深对其影响最为显著,为提高润滑状态转变能力,建议取槽深3~7μm,螺旋角14°~18°,槽数16~24,槽坝比2/3~5/6。     

基于IFA-BPNN的长输管道外腐蚀速率预测

目的 构建陆地长输管道外腐蚀速率的预测模型,提升管道外腐蚀速率预测的精度,对长输管道外腐蚀状态进行准确把控.方法 深入解析了萤火虫算法(FA)的工作原理,针对FA易出现陷入局部最优或因控制参数设置不合适而导致函数无法收敛等问题,提出了FA的改进方案:采用Logistics混沌映射的方法初始化萤火虫的位置,提升萤火虫种群的所养性;引入一种新的惯性权重计算方法来改进萤火虫位置移动公式,提升FA全局寻优能力.利用改进的萤火虫算法(IFA)对误差反向传播神经网络(BPNN)初始权值和阈值进行优化,建立基于IFA-BPNN的长输管道外腐蚀速率预测模型.以111组长输管道外腐蚀检测数据为例,在MATLAB中进行模拟仿真计算,使用粒子群算法优化的BPNN(PSO-BPNN)、遗传算法优化的BPNN(GA-BPNN)以及未进行优化的BPNN作为对比模型进行对比分析.结果 使用IFA优化BPNN,大幅提升了BPNN模型的预测精度.使用IFA-BPNN模型预测12组管道腐蚀速率,平均相对误差仅为5.94％,预测结果的R2为0.99595,均优于BPNN、PSO-BPNN以及GA-BPNN模型的预测结果.结论 IFA-BPNN作为预测管道腐蚀速率工具具有较好的预测精度和鲁棒性.     

离心惯性项对螺旋槽液膜密封稳态特性影响

建立考虑离心惯性项与不考虑离心惯性项的螺旋槽液膜密封数学模型,采用有限元法计算2种条件下的液膜密封开启力、刚度及泄漏量,并进行对比分析。结果表明:随着转速的增加,液膜密封开启力、刚度、泄漏量呈线性增加;随着膜厚的增加,液膜密封开启力、刚度逐渐减小,而泄漏量逐渐增大;不同转速和不同膜厚下,离心惯性项对液膜密封开启力、刚度的影响可忽略,转速较高、膜厚较大时,离心惯性项对液膜密封泄漏量的影响不可忽略。     

液膜密封非定常工况下的瞬态特性

运行工况的瞬时变化严重影响密封性能。利用Matlab建立密封环端面间隙液膜三维模型,采用有限差分法离散基于JFO空化边界条件的雷诺方程,应用SOR迭代求解液膜压力分布,进一步耦合求解雷诺方程与瞬态动力学方程,分析工况连续变化及压力扰动对密封瞬态特性的影响。结果表明:相比于转速瞬时变化,压力瞬时变化过程中挤压效应对密封性能的影响更为显著,密封端面趋近速度越大,由液膜挤压产生的承载能力越高,端面流体被排出的速度越大;压力瞬时变化易引发静环轴向速度振荡,压差越大,振荡幅值越大;压力扰动情况下,空化率与泄漏量急剧突变后趋于稳定,压力突升相比于压力突降更易恢复稳定状态;摩擦扭矩在变工况过程中平稳变化,无较大幅度波动。     

双列螺旋槽液膜密封相变现象及性能

为了探究相变现象对密封性能的影响规律,通过联立N-S方程与质量输运方程,建立了液膜密封相变模型,使用有限体积法对控制方程进行离散,对双列螺旋槽液膜密封相变现象进行了仿真模拟,获得了液膜流线及相态分布并分析了结构参数对相变区域与密封性能的影响。结果表明：液膜发生相变后物性参数发生变化,密封间隙内流场与端面压力分布发生明显改变。内侧螺旋槽可以提供稳定的开启力并保证密封端面处于较好的润滑状态,但同时导致密封泄漏增加。通过减小外侧螺旋槽槽面宽比、槽台宽比、螺旋角、槽深或增大外侧螺旋槽槽数均可降低密封泄漏量,提升密封性能。     

双列螺旋槽液膜密封相变现象及性能

为了探究相变现象对密封性能的影响规律,通过联立N-S方程与质量输运方程,建立了液膜密封相变模型,使用有限体积法对控制方程进行离散,对双列螺旋槽液膜密封相变现象进行了仿真模拟,获得了液膜流线及相态分布并分析了结构参数对相变区域与密封性能的影响。结果表明:液膜发生相变后物性参数发生变化,密封间隙内流场与端面压力分布发生明显改变。内侧螺旋槽可以提供稳定的开启力并保证密封端面处于较好的润滑状态,但同时导致密封泄漏增加。通过减小外侧螺旋槽槽面宽比、槽台宽比、螺旋角、槽深或增大外侧螺旋槽槽数均可降低密封泄漏量,提升密封性能。     

螺旋槽机械密封瞬态启动过程润滑特性

建立了螺旋槽机械密封瞬态启动过程润滑特性的计算模型，耦合求解了含流量因子、接触因子及质量守恒空化边界的雷诺方程、弹塑性粗糙峰接触方程及动力学方程，比较了不同运行工况及结构参数的润滑状态转变过程。结果表明：增速阶段流体承载力与液膜厚度不断增大，粗糙峰承载力逐渐减小至消失；相比较于流体动压润滑状态，混合摩擦状态的液膜刚度较大且振荡幅值明显，在到达脱开转速时刻有较大的轴向速度突变。受挤压效应影响，较小的启动加速度可以在低转速下进入流体润滑状态，较高的外压和较低的内压均有利于润滑状态的转变。随槽数的增加，脱开转速呈先增大后减小趋势，螺旋角与槽深的减小或槽坝比的增大均对润滑状态转变能力起促进作用。     

端面微造型机械密封的数值模拟与实验研究

建立沿螺旋线排列的端面微造型机械密封液膜模型,基于质量守恒方程,考虑槽区深度、槽区半径、非槽区深度、螺旋角等几何参数及压差、转速等工况参数对开启力、泄漏量的影响;并基于高速实验台,测量了端面间的摩擦扭矩,同时与模拟结果对比。结果表明:固定压差时,随着槽区深度增加,开启力和泄漏量增加,固定转速时,泄漏量增加,开启力先增加后减小;随着槽区半径或螺旋角的增加,开启力和泄漏量减小;压差和转速的增加使得端面间摩擦扭矩增加,且实验值大于模拟值。