接触式机械密封界面泄漏机理研究的关键科学问题

密封界面的泄漏机理是机械密封研究与应用的焦点问题之一,涉及泄漏通道表征、粗糙表面的接触力学模型、界面微观形貌变化以及介质流体在泄漏通道中的流动阻力等问题。回顾了近几十年国内外接触式机械密封泄漏通道模型的研究,深入分析了G-W模型、M-B模型和Persson模型3种粗糙表面接触力学模型的贡献和存在的问题,提出了一种基于逾渗理论的泄漏通道新模型;探讨了密封界面的分形参数、泄漏通道的流动阻力以及密封界面的有限尺寸效应对泄漏特性的影响,指出孔隙连通贯穿界面和流体流经贯穿通道的流动阻力小是密封界面产生泄漏的成因,以及泄漏通道的形成和泄漏通道内的流体流动特性是泄漏机理研究的主要方向。     

接触式机械密封界面泄漏机理分析

旋转机械装备的密封性能对生产过程的能耗、效率和环保具有重要影响。基于逾渗理论,探讨了接触式机械密封界面空隙状态随动、静环表面分形参数和接触压力变化的规律。研究建立了密封界面单层网格微通道结构模型,指出了密封界面在接触压力作用下表现的逾渗、逾渗点和非逾渗3种状态。根据液体毛细管力和气体Knudsen数,提出了微通道内流体流动判据,分析了密封界面流体的流动阻力和泄漏流量,阐释了接触式机械密封界面泄漏机理。研究结果为接触机械密封优化设计和泄漏控制提供依据。     

接触式机械密封界面泄漏机理分析

旋转机械装备的密封性能对生产过程的能耗、效率和环保具有重要影响。基于逾渗理论,探讨了接触式机械密封界面空隙状态随动、静环表面分形参数和接触压力变化的规律。研究建立了密封界面单层网格微通道结构模型,指出了密封界面在接触压力作用下表现的逾渗、逾渗点和非逾渗3种状态。根据液体毛细管力和气体Knudsen数,提出了微通道内流体流动判据,分析了密封界面流体的流动阻力和泄漏流量,阐释了接触式机械密封界面泄漏机理。研究结果为接触机械密封优化设计和泄漏控制提供依据。     

微通道内表面性质对其内流体流动特性的影响

通过对玻璃微通道内壁表面进行羟基化处理、溶胶-凝胶法纳米SiO2颗粒沉积以及疏水分子自组装等改性处理,制备得到了具有不同内壁表面润湿性和粗糙度的微通道;系统研究了微通道内表面性质对其内流体流动特性的影响。结果表明,在微通道内表面浸润性相同(同为亲水或疏水)时,粗糙表面会比光滑表面给微通道内的流体流动带来更大的阻力,而且流体流动推动力越大时其影响越大;当微通道内表面粗糙度相同时,亲水表面会比疏水表面给微通道内的流体流动带来更大的阻力,而且流体流动推动力越大时其影响越显著;相比之下,微通道内表面浸润性对其内流体流动的影响比其粗糙度的影响更大。研究结果可以为微流动系统或微流体机械的设计和应用提供指导。     

微通道内液-液多相流数值模拟研究进展

液滴微流控技术在化学化工、生物医学等领域具有良好的应用前景,而微通道内的液-液多相流动则是液滴微流控技术中最常见的流动现象,深入研究其机理及其内在规律对相关装置与过程的优化设计具有重要的指导意义。本文系统地综述了研究微通道液-液多相流常用数值研究方法,回顾了连续力学方法与介观动理学方法的研究进展,详细介绍了界面追踪方法与界面捕捉方法的特点以及常用模型,讨论了多种模型的应用情况,论述并对比了不同模型的优势与限制。为进一步开展微通道液-液多相流行为规律及其内在机理的研究提供有益借鉴。微通道内多相流动涉及多种流体与界面的相互耦合,应进一步深入研究在模型简化的基础上实现更精确的界面与流体动力学行为描述。     

基于分形理论的接触式机械密封泄漏模型

引言 机械密封基本性能主要包括密封特性(即泄漏率指标)和端面摩擦特性(即抵御摩擦磨损的能力).机械密封失效最重要和最直接的表现是在规定的工作条件下,机械密封在未达到规定的工作时间,就出现泄漏率超标现象.端面摩擦特性的好坏对机械密封的密封特性有着显著的影响.在摩擦副间建立流体摩擦工况、流体动压效应,可以改善端面摩擦特性,减小端面磨损.然而,改善端面摩擦特性所采取的措施,如减小端面比压,往往会给机械密封带来较大的泄漏损失,导致其泄漏率超标.为了减少物料流失、保护环境,以及防止因易燃易爆物料泄漏造成危害,充分考虑机械密封的密封特性,从理论上揭示运行过程中机械密封泄漏的影响因素,切实有效地控制机械密封泄漏率不仅是必要的而且是十分迫切的.     

机械密封摩擦副端面分形维数的优化

机械密封摩擦副接触端面的分形维数对摩擦副摩擦磨损特性和密封性能有着重要的影响。依据机械密封摩擦副端面接触分形模型和泄漏分形模型,分别研究了有利于减轻端面磨损的最优分形维数和基于允许泄漏率的最优分形维数。用数值计算方法得出了NHM70型机械密封摩擦副端面弹性接触面积比Are/Ar与分形维数D的关系曲线及泄漏率q与分形维数D的关系曲线。在自行设计的试验装置上,进行了NHM70型机械密封试验研究。通过理论计算和试验验证表明,在综合考虑磨损率、泄漏率和加工成本后,NHM70型机械密封软质环端面的最优分形维数为1.61。     

超疏水表面液滴蒸发内部流体流动与传热分析

基于椭球模型,模拟了超疏水表面上固着纯水液滴的蒸发过程,探究了蒸发过程中液滴外形、体积、接触角、表面温度和蒸发速率的变化,以及液滴内部温度和流线的分布情况。结果表明:液滴蒸发过程中,液滴顶部局部表面温度最大,接触线处最小,且随蒸发的进行表面温度逐渐减小。液滴体积演变行为区别于亲水表面,这表明基板特性影响了液滴蒸发机理。液滴蒸发初始时刻,全局蒸发速率最大,随蒸发的进行,全局蒸发速率逐渐减小。液滴表面温度分布不均匀使得液滴表面产生了张力梯度,张力梯度引起了液滴内部流体流动;近气液界面处流体由液滴顶部向下流动,液滴内部流体由下向上流动,形成了Marangoni流。流体流动伴随着热量的传递,导致接触线附近温度较低,液滴内部中心处温度较高。     

微纳孔隙中复杂流体液滴驱替的跨尺度混合模拟

理解微纳孔隙通道内驱替液对附着在壁面上的液滴进行驱替这一过程的机理,有助于深入了解非常规条件下油气开发过程中的输运规律。该过程的跨尺度特性以及液滴与驱替液之间的强烈相互作用,决定了必须使用混合模拟方法进行研究。然而在已有的研究中,通常采用的阻逸力界面条件干扰了连续区域到分子尺度区域的切应力传递,导致流动阻力计算不正确。采用布置虚拟壁面的新方法代替阻逸力界面条件,以解决切应力传递不正确的问题。在此基础上,比较了液滴分别为单原子分子和复杂流体的情形,以及壁面完全刚性和允许壁面粒子振动的情形。结果表明传统的阻逸力方法可导致流动阻力的误差高达65%,而采用虚拟壁面的界面条件可将误差降至1%以内,具有显著优势。此外,研究结果还显示液滴为复杂流体和允许壁面粒子振动均对流动阻力有较大的影响。     

微纳孔隙中复杂流体液滴驱替的跨尺度混合模拟

理解微纳孔隙通道内驱替液对附着在壁面上的液滴进行驱替这一过程的机理,有助于深入了解非常规条件下油气开发过程中的输运规律。该过程的跨尺度特性以及液滴与驱替液之间的强烈相互作用,决定了必须使用混合模拟方法进行研究。然而在已有的研究中,通常采用的阻逸力界面条件干扰了连续区域到分子尺度区域的切应力传递,导致流动阻力计算不正确。采用布置虚拟壁面的新方法代替阻逸力界面条件,以解决切应力传递不正确的问题。在此基础上,比较了液滴分别为单原子分子和复杂流体的情形,以及壁面完全刚性和允许壁面粒子振动的情形。结果表明传统的阻逸力方法可导致流动阻力的误差高达65%,而采用虚拟壁面的界面条件可将误差降至1%以内,具有显著优势。此外,研究结果还显示液滴为复杂流体和允许壁面粒子振动均对流动阻力有较大的影响。     

接触式机械密封寿命预测方法

依据分形理论,用具有尺寸独立性的分形参数表征包含粗糙度和波度的密封端面形貌及其变化,研究了机械密封端面形貌变化对泄漏通道的影响规律,结合Navier-Stokes方程,建立了基于允许泄漏率的机械密封寿命预测方法。运用这一方法,对工作在柴油泵中的108型机械密封进行了寿命预测。研究发现密封介质压力为0.8 MPa,端面比载荷为1.1 MPa,工作11500 h的108型机械密封,软质环端面形貌D=1.5607,G=2.0298×10^-9 m,理论泄漏率为2.95 cm³•h^-1。此时,其工作时间已超出美国石油学会和美国摩擦学家与润滑工程师学会制定的易挥发物逸出量控制标准下的密封寿命1400 h,处于危险状态。结果表明,正确预测机械密封寿命是十分必要的。机械密封寿命预测方法的建立,为确定维修周期、保证设备安全可靠运行提供了依据。     

颗粒介质用机械密封热力耦合变形及摩擦磨损研究

在含有颗粒介质的工作环境中下,硬质材料配对机械密封环的热力耦合变形和摩擦磨损对机械密封的泄漏和使用寿命起着至关重要的作用。考虑动静环和颗粒介质的摩擦,试验测定了摩擦系数,建立了动静环热力耦合的有限元计算模型,研究了WC-Co硬质合金和无压烧结碳化硅（SSiC）陶瓷两种硬质材料密封的温度场和端面变形规律,分析了不同工况下的密封间隙变化规律。试验测试分析了密封环温度、磨损前后的泄漏及表面粗糙度,讨论了端面的磨损机理,验证了计算模型的准确性。结果表明：考虑动环磨粒摩擦热的有限元模型能准确地预测密封的温度和端面变形;耦合作用下动静环端面呈现外径脱离、内径贴合的变形,且变形差异程度随压差和转速的增大而加剧;变形导致端面磨痕分布不均匀,内径磨痕较严重。WC-Co硬质合金配对密封环的端面变形小、泄漏量小,高硬度WC颗粒对Co基体能产生很好的“阴影效应”,具有良好的耐磨粒磨损性能。SSiC陶瓷材料韧性差,易产生片状磨屑,形成过渡型磨粒磨损,材料耐磨性较差,泄漏量增加明显。在磨粒工况下,WC-Co硬质合金机械密封具有泄漏小、耐磨性强的特点。研究结果为颗粒介质中机械密封的材料应用及设计优化提供了参考。     

自泵送机械密封与螺旋槽机械密封的性能比较

运用Fluent软件对泵入式自泵送机械密封与螺旋槽流体动压型机械密封进行三维流场动力学仿真分析,比较研究了两种流体动压型机械密封在不同几何参数和操作条件下的端面开启力和泄漏率。结果表明：在相同的结构和操作条件下,螺旋槽机械密封的动压效应和泄漏率均大于自泵送机械密封的相应值,其开启力与泄漏率的比值小于自泵送机械密封的相应值的比值;端面结构参数和转速对螺旋槽机械密封的开启力和泄漏率影响显著,对自泵送机械密封影响不明显。螺旋槽机械密封比自泵送机械密封在性能上具有更高的尺寸依赖性。     

多孔质机械密封耦合润滑模型与密封性能分析

考虑多孔质材料内密封介质渗流与密封端面润滑液膜间的传质耦合关系,建立了一种多孔质机械密封的流体润滑模型,采用有限单元法求解液膜润滑方程和多孔质内部渗流控制方程,研究了膜厚、渗透率、多孔质环几何参数对密封性能的影响规律,揭示了多孔质机械密封的工作机理。结果表明：多孔质机械密封依靠流体静压效应在密封端面成膜,相较于普通平行端面密封,其液膜承载力和轴向刚度更大;随多孔质渗透率的增大,多孔质机械密封泄漏率和开启力逐渐增大,而液膜刚度逐渐减小;液膜厚度的增大会导致泄漏率的增大和开启力的减小,而液膜刚度先增大后减小,且不同渗透率下的最大刚度分别对应不同的膜厚值。研究结果可为多孔质机械密封的工程设计提供新的思路和理论指导。     

流体动压型机械密封研究进展

现阶段机械密封的操作条件更加苛刻和多样化。在一些高参数的密封工况下,传统接触式机械密封磨损严重、寿命较短,已达不到密封的基本要求。发展流体润滑的非接触式机械密封是保证设备长时间连续正常运转的迫切要求。流体动压型机械密封是对普通机械密封端面进行简单改型,其结构简单、应用前景广阔,特别适合高压、高温、低粘度等高参数工况。对流体动压型机械密封的密封机理、研究发展情况和现阶段的工业产品进行了综述。指出开展深入研究流体动压型机械密封的必要性。     

多孔质机械密封耦合润滑模型与密封性能分析

考虑多孔质材料内密封介质渗流与密封端面润滑液膜间的传质耦合关系,建立了一种多孔质机械密封的流体润滑模型,采用有限单元法求解液膜润滑方程和多孔质内部渗流控制方程,研究了膜厚、渗透率、多孔质环几何参数对密封性能的影响规律,揭示了多孔质机械密封的工作机理。结果表明：多孔质机械密封依靠流体静压效应在密封端面成膜,相较于普通平行端面密封,其液膜承载力和轴向刚度更大;随多孔质渗透率的增大,多孔质机械密封泄漏率和开启力逐渐增大,而液膜刚度逐渐减小;液膜厚度的增大会导致泄漏率的增大和开启力的减小,而液膜刚度先增大后减小,且不同渗透率下的最大刚度分别对应不同的膜厚值。研究结果可为多孔质机械密封的工程设计提供新的思路和理论指导。     

油浆泵机械密封失效分析及预防措施

分析了波纹管机械密封在含固体颗粒介质下容易泄漏的主要原因,利用实际检修中积累的经验,综合机械密封的工作原理,对该机械密封进行有效的、合理的改进,使机械密封的使用寿命大大延长。