建立雷诺方程的一种新概念

针对工程应用中所存在的多种具体物理形式和多种工况条件的流体膜润滑型式，归纳给出了3类典型摩擦副流体膜润滑所对应的3种微圆柱流量物理模型、几何楔和有效法向速度差特征式的概念，由可压缩流微圆柱流量连续方程导出了有关的常用支承流体膜润滑广义雷诺方程。这样使分析方法和物理意义简明；同时还修正了此前长期被一些广为流传的专著或论文所忽视的有关问题；并给出了一些对基本形式雷诺方程润滑理论的实验验证。     

侧墙对中等半径比同心旋转圆柱间Taylor-Couette流的影响——Ⅰ层流涡

对有限长中等半径比同心旋转圆柱间Taylor-Couette流进行了数值计算,以研究侧墙对Taylor-Couette流的影响。圆柱的半径比为0.83,形状比为6,泰勒数在0~357之间。内圆柱旋转,外圆柱静止。数值计算结果表明,在无滑移侧墙边界条件下,在泰勒数低于临界泰勒数时,在侧墙边界层的作用下侧墙附近出现侧墙涡,而在滑移侧墙边界条件下,直到泰勒数大于临界泰勒数,轴间才出现明显的涡流。当泰勒数处在89~112之间,侧墙静止和侧墙旋转时产生的最大径向速度分别约为内筒表面线速度的3%~4%和7%~10%。侧墙静止时,随着泰勒数的增加,边界层的厚度也随之递增。侧墙旋转时,边界层厚度基本不变。在泰勒数大于临界泰勒数时,随着泰勒数的增加,侧墙静止和侧墙旋转时侧墙涡的轴向长度分别增加和减少,在滑移边界条件下,侧墙涡的轴向长度约等于轴间距。在3种侧墙边界条件下,层流涡向波动涡转捩的临界泰勒数变大。     

波度端面机械密封热流体动力润滑性能分析

基于流体润滑理论,考虑润滑液膜空化现象和润滑液膜与密封环之间的热传导作用,建立波度端面机械密封三维流固热耦合模型,采用SUPG有限单元法求解广义雷诺方程、能量方程和热传导方程,计算端面液膜压力、开启力、泄漏率、摩擦因数等参数,对比分析密封热流体动力润滑(THD)和流体动力润滑(HD)密封特性。结果表明:随着转速、密封压力、波幅、波数的增加,开启力和泄漏率增加,摩擦因数减小;随着坝宽比、初始膜厚的增加,开启力和泄漏率减少,摩擦因数增加。热效应对密封性能影响显著,随着端面摩擦热升高,润滑液膜压力降低。     

GMRES算法在雷诺方程数值解法中的应用

雷诺方程是流体润滑问题计算的基本方程,研究其有效的数值解法在工程上具有很大的实际应用背景,本文主要选取了流体润滑计算领域的一个有普遍意义的典型实例－点接触等温弹流润滑问题进行雷诺方程的解法研究。数值解法计算雷诺方程,均有归结为求解ＡＸ＝ｂ的问题。本文研究ＧＭＲＥＳ算法及传统采用的ＳＯＲ算法解该方程的速度与精度等各方面的问题。通过对比,加预处理的ＧＭＲＥＳ算法在解此方程中具有明显优势。     

高保压液压缸组合密封仿真分析与装配精度控制研究

针对断路器液压操纵机构液压缸组件密封问题,开展了高保压液压缸组合密封仿真分析与装配精度控制研究,提出了一种基于油膜厚度的密封配合精度计算方法。利用弹性流体动力润滑理论计算出典型液压动密封的流体膜厚、泄漏量与黏性摩擦力以评估动密封性能,通过结构非线性有限元计算出的密封接触压力拟合出弹性润滑理论中密封处油膜压力,并使用一维稳态雷诺方程逆解建模以获得有限元接触压力和油膜厚度之间的关系,最终通过选配方法在精密偶件装配中进行了控制,并通过数值仿真与实验相结合来验证该方法的有效性。     

螺旋槽旋转密封环润滑状态转变预测

针对螺旋槽旋转密封润滑状态随转速变化,建立分析润滑特性的数学模型。采用有限体积法对雷诺方程进行数值离散,基于贴体坐标变换与质量守恒边界条件,获得了流体润滑模型。采用分形接触模型描述混合润滑状态时的粗糙峰接触特性。数学模型能够对混合润滑和流体润滑状态下的润滑特性进行模拟,获得了全转速范围内摩擦因数的变化规律,并得到了试验验证。得到了脱开转速,并拟合脱开转速随入口油压变化的规律曲线,利用该曲线能有效判断密封摩擦副润滑状态转变的转速。     

基于有限差分法的矩形密封圈密封性能的数值计算

弹性矩形密封圈广泛应用于工业和航空液压设备中,其密封性能对主机的工作性能和效率有很大影响。矩形密封圈动态密封机理是由流体膜承载保持密封和润滑,其控制方程是简化的雷诺方程。密封性能参数计算一般是根据膜压和流速分布用逆解法求解,但需要动态实验获得膜压分布曲线。本文基于有限差分法对矩形密封圈的动态密封方程进行离散化处理,建立了耦合弹性场、流体场和过盈接触的矩形密封圈密封性能数值计算流程图,采用MATLAB软件编程,用顺解法对矩形密封圈的油膜厚度和泄漏量等密封性能进行了数值计算,并用图形直观表达计算结果,简化了弹性密封圈的数值计算过程。     

超薄气膜润滑的雷诺方程修正

针对超薄气膜的润滑问题，根据稀薄气体动力学理论，提出了一种具有3个可调参数的2阶滑流速度边界的数学模型，通过数值模拟得到了3个参数的确切数值，经连续方程积分得到了超薄气膜润滑的修正雷诺方程。对倾斜平板的超薄气膜润滑的压力分布和承载能力进行了数值分析，与采用线性波尔兹曼方法的计算结果吻合很好。     

基于多参数耦合的圆柱滚子轴承润滑分析

在滚动轴承润滑中,轴承表面粗糙度和固体颗粒对润滑油的影响不能忽视,因此需对Dowson-Higginson方程进行修正。考虑表面粗糙度、固体颗粒、轴承动力学及滚子修形的多尺度参数的耦合影响,建立圆柱滚子轴承的复杂润滑模型并进行数值求解,提出一种基于Dowson-Higginson公式的最小膜厚改进公式。利用轴承动力学求解滚子的实际载荷和速度,结合有限长滚子弹流润滑,考虑表面粗糙度和微极流体效应,建立有限长弹流润滑模型,并推导出改进的油膜厚度方程。结果表明：圆柱滚子轴承润滑存在“端面效应”,最小油膜厚度与最大油膜压力均出现在滚子两端,通过滚子凸度设计可改善这种现象。数值算例分析结果表明,改进后的膜厚方程具有较高的精度。改进后的膜厚方程准确、全面地描述了圆柱滚子的实际润滑情况,能够为其结构设计、加工方法、传动效率、润滑特性、疲劳寿命及可靠性等研究提供理论及分析工具。     

流体惯性对橡胶轴承水润滑性能的影响

以水润滑橡胶轴承的典型数值为例,说明轴承流动状态跨越了层流、第二层流区以及紊流3个区域。从连续性方程和Navier-Stokes方程出发,推导了适用于第二层流区的考虑惯性力的雷诺方程。通过数值计算,考察了流体惯性对圆柱轴承润滑性能和承载能力的影响。发现流体惯性导致水膜压力和承载能力略微增大,轴心平衡位置发生微小改变,可以认为在第二层流区流体惯性对橡胶轴承水润滑性能的影响甚微。     

水压往复密封面临仿真问题

该文对水压往复柱塞密封仿真现状进行了调研,得出了目前油压密封仿真较为成熟,而水压密封仿真薄弱的结论。由于水的低粘度及物理特性使水压密封成膜难,仿真需要对密封物理组成建立系统性和精细化的模型。水压密封流态一般为混合润滑,剖析了两种低粘度介质流态的判别方法,揭示了润滑流态转换条件及表现特征。在仿真过程中指出了Reynolds方程应考虑惯性项,给出了几种Reynolds方程适用性及求解数值方法,论述了数值方法的特点。分析了成膜密封磨损机制,粗糙度大小是影响磨损程度主因。提出了借助实验建立较完善仿真模型观点,以提高仿真模型置信度。明晰了仿真在密封设计中优化作用,运用传统油压理论处理水压密封等效性问题需进一步探讨,提出了未来水压密封面临探索性问题。     

Numerical analysis of leakage of elastomeric seals for reciprocating circular motion

A cambered elastomeric seal used in a novel universal joint for reciprocating circular motion is investigated. Then based on the linear elastic Hooke equations and the Reynolds equation, mathematical models of the contact pressure, film thickness and leakage with the method of variable substitution are established. The numerical analysis and simulation are performed based on the modified inverse hydrodynamic (IH) method and MATLAB numerical method. Besides, effects of various parameters on the sealing performance are investigated systematically. The simulation results verify the effectiveness and feasibility of proposed mathematical model and numerical algorithm. The results also lay the theoretical basis for the structure design and performance analysis of the seal assembly.     

中心型蝶阀流场的数值模拟研究

利用CFD软件FLUENT对中心型蝶阀流场进行数值模拟。计算模型采用不可压缩流动的雷诺时均方程组,紊流模型采用标准模型,离散方程的求解采用压力耦合方程组的半隐式方法(SIM-PLE算法)。对阀门在不同开度情况下,流场状况分别进行了数值模拟,分别得到速度场,压力场,速度矢量场。定性的给出了阀门在不同开度下重要部位的受力情况,比较直观的给出了阀门在不同工况下流道内部的速度分布,为分析阀门内部受冲击状况提供了依据。由对阀门开度的不断变化,得到了涡流的形成过程,及速度对涡流形成及扩展的影响。     

端面流体动压密封中一种新的湍流计算模型

基于H irs湍流润滑理论,针对端面动压密封(或推力轴承润滑)推导了极坐标系下的湍流计算模型。推导出的湍流Reynolds方程中有3处包含湍流修正系数。与传统的通过单纯湍流Reynolds方程进行润滑计算不同,本模型还可以方便地计算流场各点切向和径向平均速度,得到流场速度分布,从而可以更精确地直接计算流量。对于一种新型双螺旋槽端面流体动密封装置,本文湍流模型计算得到的泄漏量与试验值吻合,适用于压力流动和速度流动共存的湍流润滑计算。     

Axial slit wall effect on the flow instability and heat transfer in rotating concentric cylinders

The slit wall effect on the flow instability and heat transfer characteristics in Taylor-Couette flow was numerically studied by changing the rotating Reynolds number and applying the negative temperature gradient. The concentric cylinders with slit wall are seen in many rotating machineries. Six different models with the slit number 0, 6, 9, 12, 15 and 18 were investigated in this study. The results show the axial slit wall enhances the Taylor vortex flow and suppresses the azimuthal variation of wavy Taylor vortex flow. When negative temperature gradient exists, the results show that the heat transfer augmentation appears from laminar Taylor vortex to turbulent Taylor flow regime. The heat transfer enhancement become stronger as increasing the Reynolds number and slit number. The larger slit number model also accelerates the flow transition regardless of the negative temperature gradient or isothermal condition.     

Flow dynamics of a spiral-groove dry-gas seal

The dry-gas seal has been widely used in different industries.With increased spin speed of the rotator shaft,turbulence occurs in the gas film between the stator and rotor seal faces.For the micro-scale flow in the gas film and grooves,turbulence can change the pressure distribution of the gas film.Hence,the seal performance is influenced.However,turbulence effects and methods for their evaluation are not considered in the existing industrial designs of dry-gas seal.The present paper numerically obtains the turbulent flow fields of a spiral-groove dry-gas seal to analyze turbulence effects on seal performance.The direct numerical simulation(DNS) and Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS) methods are utilized to predict the velocity field properties in the grooves and gas film.The key performance parameter,open force,is obtained by integrating the pressure distribution,and the obtained result is in good agreement with the experimental data of other researchers.Very large velocity gradients are found in the sealing gas film because of the geometrical effects of the grooves.Considering turbulence effects,the calculation results show that both the gas film pressure and open force decrease.The RANS method underestimates the performance,compared with the DNS.The solution of the conventional Reynolds lubrication equation without turbulence effects suffers from significant calculation errors and a small application scope.The present study helps elucidate the physical mechanism of the hydrodynamic effects of grooves for improving and optimizing the industrial design or seal face pattern of a dry-gas seal.     

绕后台阶与准方腔耦合流道流场的数值计算与试验研究

用Galerkin有限元法对绕后台阶与准方腔耦合流道流场进行数值模拟。数学模型采用的是流函数—涡量形式的N-S方程,分别计算了雷诺数214.2、428.4和642.6三种情况下流场的结构,计算所得瞬态流场和稳态流场以直观速度矢量图和等值线图的形式给出,并绘出了部分纵截面上速度分布剖面图,分析了雷诺数对流场结构的影响。同时应用近年来发展起来的且获得广泛应用的全场瞬时速度测量技术,即粒子图像测速技术PIV)对流场进行了试验研究,所得速度矢量图与数值计算结果吻合较好。计算和试验结果表明:绕后台阶与准方腔流道流场比较复杂,同时具有后台阶流动和方腔流动的结构特征。研究结果对工程实际具有重要意义。     

激光加工多孔端面机械密封静压分析

建立了在部分密封端面上加工微孔的激光加工多孔端面机械密封理论分析模型,用有限元法求解雷诺方程,获得了不同微孔结构参数下端面的无量纲膜压分布,以获得最大端面静压为目标,提出了微孔结构参数的最优值,指出开孔区长度比最优值约为0.6,面积密度最优值大约为0.5.研究表明在部分密封端面上加工微孔可有效增大端面静压.     

基于压力和流量守恒收敛准则的微织构端面机械密封数值计算

目前在研究微织构端面机械密封时,离散求解雷诺方程时采用的压力收敛准则,并不能完全保证得到准确的泄漏率。提出基于压力收敛和内外径流量守恒收敛双重收敛准则的微织构端面机械密封数值计算方法,针对圆柱形微孔端面机械密封,基于考虑JFO边界条件的二维雷诺方程,建立含一个计算域的数值计算模型,并采用不同的收敛准则对开启力和泄漏率进行数值计算。结果表明:仅使用压力收敛准则不能显式判断计算是否已经满足质量守恒,不能准确计算泄漏率;仅使用内外径流量守恒收敛准则可能出现迭代初始阶段就满足收敛条件,导致错误结果;使用压力收敛准则和内外径流量守恒收敛准则相结合的双重收敛准则,可保证泄漏率计算的正确性。     

Analysis of the Hydrodynamic Effects in a Surface Textured Circumferential Gas Seal

A theoretical finite-element model was developed to study the hydrodynamic effect of micro-pores generated by laser surface texturing (LST) in a circumferential gas seal. The seal is represented by two non-contacting annular surfaces of a rotating shaft and a stationary ring. The micro-pores of spherical segment shape are distributed uniformly over one of the annular surfaces. The hydrodynamic dimensionless pressure distribution in the uniform clearance between the annular surfaces is obtained from a solution of the Reynolds equation for compressible viscous gas in a laminar flow.

Results of a parametric study along with a numerical example for a specific circumferential seal demonstrate a substantial hydrodynamic effect that can raise the opening average pressure in the seal clearance above the ambient one by up to 50 percent.