基于多物理场耦合的航空发动机燃油泵液膜密封仿真分析与试验*

针对航空发动机燃油增压泵接触式机械密封润滑失效问题,通过多物理场耦合仿真和试验分析人字槽液膜密封用于燃油增压泵的可行性。基于考虑粗糙度的雷诺方程、能量方程和热传导方程建立液膜密封多物理场模型,分析密封温度特性、泄漏特性等关键性能参数,并针对人字槽液膜密封开展密封性能试验研究。结果表明：与平端面接触式机械密封相比,人字槽型密封端面平均温度降低约50 ℃,有利于密封运行稳定性的提高;试验运行过程中密封各处温度稳定,泄漏量为0,满足燃油增压泵对密封的性能要求。     

基于有限元分析的汽油发动机密封性能多物理场耦合研究

以某典型汽油发动机的气缸盖、气缸垫及气缸体组合结构为例,基于ANSYS Workbench平台全面模拟汽油发动机的工作状况,对其进行流体场、瞬态温度场以及瞬态结构场的多物理场耦合分析,获得汽油发动机冷却液速度、组合结构温度和应力、气缸垫变形,并探讨热载荷、机械载荷对汽油发动机密封性能的影响。结果表明,发动机组合结构在热载荷、机械载荷的共同作用下,发动机燃烧室所承受的等效应力较大且其变化较明显,气缸垫缸口处压纹变形也较明显,可通过调整燃烧室的水套结构、冷却液流速来降低等效应力,以及调整气缸垫的压纹结构、螺栓预紧力来降低气缸垫的变形,从而达到发动机密封性能提高的目的。     

一种微构件的多物理场耦合求解方法

这里针对微机械电子系统中存在的多物理场耦合现象,提出一种微结构的多物理场耦合求解方法。该方法首先将微机械电子系统分解为机械场(实体微结构模型)和多个单物理场的组合;然后,对各物理场与实体微结构模型的控制方程采用有限元/边界元离散为线性方程组,最后利用迭代法求解。为证明方法的可行性,这里对微加速度传感器中的微悬臂梁结构进行多物理场解耦分析。解耦分析的结果表明,该方法是合理可行的。     

液压电磁阀多物理场耦合热力学分析

电磁阀为涉及机械、电、磁和热等多物理场耦合复杂异构系统,其寿命和可靠性很大程度上取决于运行过程中产生的热。基于对某自动变速器液压比例电磁阀的结构和工作原理分析,采用二维轴对称有限元法,建立电磁阀的多物理场耦合热力学模型,仿真两种使用环境中不同工作电流下电磁阀内部的热变形及温度分布。仿真结果表明,使用环境和工作电流导致温度过高或者应力过大都是电磁阀热失效的重要原因;而且电磁阀内部的最高温度或最大应力与工作电流具有近似的线性增长关系,尤其是在散热条件差的使用环境下,电磁阀内部更易快速达到较高的温度和热应力,势必降低电磁阀的寿命和可靠性。通过与试验结果的对比分析,验证了该热力学模型具有较高的精度,可用于电磁阀的可靠性设计。     

伺服比例阀多物理场耦合仿真研究

伺服比例阀是一个涉及多学科领域的复杂物理系统,建立包含机械、电、磁、流场等模块在内的多物理场耦合模型对其进行仿真研究。基于对伺服比例阀结构和工作原理的分析,搭建阀芯位移闭环控制电路及阀芯动力学模型,建立伺服比例电磁铁有限元瞬态仿真模型、液动力瞬态流场降阶模型,并将各模块耦合完成伺服比例阀多物理场模型,实现动态特性仿真。为验证伺服比例阀多物理场耦合模型的准确性,对采用相同的测试条件及控制电路的伺服阀阀芯位移控制系统进行试验,通过输入不同的指令信号得到阀芯位移的阶跃响应曲线及电磁铁电流曲线。经对比,阶跃响应测试中阀芯位移仿真结果与试验曲线相比最大误差不超过15%,不同阶跃指令下仿真得到的电磁铁电流与试验电流曲线变化趋势相同,验证了模型的准确性,为后续伺服比例阀的研发及优化提供有效平台。     

电解加工过程多物理场耦合仿真及试验研究

针对电解加工过程中复杂、难以预测的问题,建立小孔内扩孔电解加工过程多物理场耦合的数学模型,利用COMSOLMultiphisics软件进行仿真分析,得到加工间隙内的流速分布、电流密度分布和温度分布,并分析了不同加工时间和电压对温度分布的影响。选择合适的工艺参数进行试验,得到了小孔内壁轮廓曲线的实测值,并与耦合多物理场仿真的理论值、未耦合多物理场(仅电场)仿真的理论值进行对比。结果表明,耦合多物理场仿真的理论值与实测值更接近,误差更小,可以准确地模拟实际电解加工过程。     

航空叶片电加工多物理场耦合仿真及实验研究

针对涡轮转子叶片电解加工过程参数分布复杂、型面难以预测的问题,分析电解加工过程中电场、流场、温度场特性,建立多场耦合数学模型并利用Matlab ode45函数求解多物理场耦合数值解;利用COMSOL软件对叶片电解加工过程多物理场进行数值模拟,得到加工间隙内电解液流速、温度、电解质电流密度的分布规律;选择合适的工艺参数完...     

基于多物理场耦合的高温掺合阀温度场数值模拟研究

为了研究柱塞式高温掺合阀在实际生产中流体域内温度场、速度场、压力场及阀耦合温度场的分布规律,分别采用理论计算方法和基于ANSYS的有限元方法对实际生产工况条件下该阀的流场、温度场进行耦合计算.给出了理论计算过程,为模拟分析提供依据,给出了流体域内温度场、速度场、压力场及阀耦合温度场的计算过程和结果.结果表明:阀内流体域...     

双螺杆捏合机螺杆转子多场耦合特性数值模拟

以某新型双螺杆捏合机螺杆转子为研究对象,采用间接耦合以及弱耦合方法实现转子温度场和应力场、流场和应力场的耦合特性的数值模拟。将温度场作为体载荷施加在流固耦合结果上,实现螺杆转子温度场-流场-应力场的多物理场耦合特性数值模拟,以研究不同工况下在流场温度、流体压力和不同扭矩对双螺杆转子的综合应力和综合变形的多场耦合作用机理,并对螺杆转子在各物理场单独作用及耦合作用下的应力和变形情况进行对比分析。研究结果表明:与流场对转子产生的变形与应力相比,热变形是导致转子实际变形的主要因素,螺杆转子热变形的变化趋势与其实际综合变形的变化趋势基本一致,而由温度场导致的转子热应力值较小,远小于转子受到流场以及扭矩产生的应力值。根据分析结果可以确定双螺杆捏合机中对转子强度、刚度起主要影响作用的因素,以及确定转子合理工作间隙。研究结果对转子微观形貌的主动反演设计以及工作间隙的合理选择提供理论依据。     

高载荷条件下石墨-石墨摩擦副的摩擦学特性研究

利用研制的高载荷条件下摩擦因数测试装置,研究了石墨/石墨摩擦副在空气、水和油介质中的摩擦学特性。结果表明在4~15MPa范围内,随着载荷的增加,摩擦副在空气、水和油介质中的摩擦因数都逐渐降低;在油介质中摩擦副的摩擦因数最小,在水介质中摩擦因数变化最平稳,在空气中摩擦因数最大,且随载荷的增加变化幅度最大。磨损表面原始形貌对比分析表明,在空气中,摩擦副表面处于边界润滑状态,主要磨损机制是粘着磨损和犁削;水润滑条件下为轻微犁削;油润滑条件下,摩擦副表面处于为边界润滑和流体润滑状态,油中的减摩剂对试样表面有抛光作用。     

高速磨削热力强场作用下相关机理研究

在高速磨削中,磨粒高速冲击表层材料,在热力强场作用下表层材料产生的动态行为激变是高速磨削的一个重要特征。本文通过对高速磨削力场、温度场和绝热剪切、准流动相冲击成屑、材料本构关系、微裂纹扩展等高速磨削材料变化行为机理进行深入探讨,得出以下结论:在高速磨削过程中,材料的动态变化行为不同于普通磨削,需要基于对高速磨削热力强场作用的研究,揭示材料动态行为变化机制;需要对高速磨削过程中磨粒、磨屑和材料表层的热量分配比和温度场变化进行深入研究,以解释磨削温度在砂轮线速度超过某一临界值后开始下降的原因;需要深入研究高速磨削热力强场作用下塑性材料的微裂纹扩展机制,揭示塑性材料的塑脆转变行为。     

基于流固热多场耦合的高速旋转唇形密封性能研究

针对一种橡胶材料高速旋转唇形密封,结合其自身结构及应用工况,通过方程离散化计算等方法,建立定量分析密封系统密封性能的数值仿真模型。基于所建立的模型对密封实际服役状态下界面流体力学、宏观固体力学、表面粗糙峰微观接触力学、唇口摩擦生热等多物理过程之间的耦合关系进行分析,借助实验验证并完善数值仿真模型的准确性。通过所建立的数值仿真分析模型研究油封唇口接触压力分布、唇口温度、摩擦力矩及泄漏率等衡量密封性能的关键参数随转速的变化规律。结果表明：在高转速条件下考虑摩擦生热时油封径向力减小,接触宽度增加,摩擦力矩减小,说明摩擦热对油封密封性能产生较大影响。     

基于相似原理的环瓣式石墨密封泄漏流动特性求解模型

环瓣式石墨密封因其泄漏通道尺寸微小,导致其建模、网格划分以及计算困难。基于相似原理方法建立环瓣式石墨密封泄漏通道求解模型,采用方程分析法推导环瓣式石墨密封泄漏通道内流体流动相似准则,获得遵循几何相似和力学相似的映射模型,并采用建立的泄漏通道映射模型分析环瓣式石墨密封的泄漏流动特性,并与实际模型计算结果进行比较。研究结果表明：泄漏通道内气体流动相似性可综合采用弗劳德、欧拉、雷诺相似准则表征;映射前后模型相同结构位置处流体压力、速度分布具有较好的一致性。通过映射模型求解的泄漏量与实际模型求解的泄漏量相对误差在误差允许范围内,验证了推导的泄漏通道流体流动相似准则和映射方法的可靠性,为研究环瓣式石墨密封微小泄漏通道泄漏流动特性提供新方法。     

遮流板对低滞后刷式密封泄漏特性及刷丝变形的影响*

为研究带遮流板的低滞后刷式密封泄漏特性及刷丝变形情况,采用ANSYS软件建立低滞后刷式密封的三维叉排管束模型。考虑遮流板的柔性作用,通过与相关实验数据对比,验证数值模型的合理性。研究3种不同结构参数对低滞后刷式密封泄漏特性的影响,并对比分析有、无遮流板时低滞后刷式密封的泄漏量和刷丝变形。结果表明：遮流板有助于提高低滞后刷式密封的密封效果;带遮流板的低滞后刷式密封泄漏量较小,其泄漏量与保护高度和径向间隙呈正相关,与遮流板长度呈负相关;带遮流板结构可以减小刷丝的最大变形量和等效应力;刷丝所受的气动力和轴向变形量也随压差的增大而增大,其最大变形点发生在靠近后挡板的第一排刷丝尖端。     

燃机曲折型迷宫密封的泄漏特性研究

以F级燃气轮机中曲折型迷宫密封为研究对象,对其内部流场和泄漏特性进行数值模拟,研究密封间隙、压比对迷宫密封泄漏特性的影响。结果表明：在相同密封间隙下,泄漏量随着压比的提高而增加;相同压比下,泄漏量随着密封间隙的减小而减少。基于数值计算结果,对现有迷宫密封泄漏量计算公式进行修正,建立曲折型迷宫密封的泄漏量计算公式。该公式计算结果与CFD数值模拟结果吻合很好,和同类公式相比,能够更为精确地计算该类型密封结构的泄漏量。     

基于多流场耦合的水力风机的性能预测

针对水力风机运行过程中同时存在水流场和空气流场,常规的单流场数值计算无法直接确定水力风机的工作点及相应性能的难题,基于Fluent的UDF技术设计了一种多流场弱耦合计算方法。该方法实现了水流场和空气流场进程的同步进行和两者之间的数据交换。最后利用该耦合方法对某型水力风机进行了模拟计算,模拟性能与试验性能具有较好的一致性。该方法的提出为后续水力风机的性能优化奠定了技术基础。     

内圆弧槽机械密封液膜流场特性分析

以内圆弧槽流体动压型机械密封为研究对象,建立了动静环端面间液膜的三维模型,运用计算流体动力学理论和有限体积法对端面间液膜的流场特性和装置的密封性能进行了模拟和数值分析。对处于不同工况、不同密封介质条件下的液膜流场,得到了其压力、泄漏量、开启力和摩擦扭矩的变化规律及相互影响关系。结果表明:圆弧槽能够产生明显的动压效应,动压效应的大小与动环转速呈正比;液膜的压力沿径向由内径到外径逐次降低;泄露量的大小随动环转速或介质压力的增大而增大;开启力的大小与动环端面的总压力具有相似的变化规律。     

石墨填料摩擦磨损与密封性能试验研究

摩擦磨损与密封性能是评价阀杆填料密封系统的重要指标。基于控制阀整机改造的新型摩擦与气密性填料综合试验系统,通过动态监测阀杆力学变化与填料函泄漏率,考察石墨填料的截面形状与组合方式对填料摩擦特性、磨损特性与密封性能的影响规律。试验研究表明：不同截面形状石墨填料的动态摩擦力水平均低于相同条件下的不同组合方式石墨填料,且阀门向下关闭的摩擦力较打开时更大;随着循环次数增加,试样的启动摩擦力呈下降趋势,而滑动摩擦力出现小幅上升,填料的磨损出现恶化,泄漏率攀升;研究的锥形、V形、菱形3种截面形状中,V形截面的启动摩擦力最小,对执行机构配置要求最低,菱形截面的滑动摩擦力最小,对控制阀位置精度影响最低;两端式和交替式2种石墨填料组合方式中,交替式石墨填料组合通过调整径向应力分布使填料摩擦力下降35%,密封特性得到改善,综合性能得到显著提高。     

压力平衡型指尖密封泄漏特性试验研究

模拟航空发动机静态和动态工况,试验研究转速、压比和温度等参数对压力平衡型指尖密封泄漏特性的影响规律,并比较标准型指尖密封和压力平衡型指尖密封的性能。试验结果表明:压力平衡型指尖密封能有效缓解滞后现象,具有优异的密封性能;随着压比的上升,泄漏参数先急剧上升,然后趋于定值;随着温度、转速的上升,泄漏参数减小;与标准型指尖密封相比,350℃高温工况下压力平衡型指尖密封的静态泄漏参数下降约29.4%,动态泄漏参数下降约34.2%。     

浸渍石墨配对9Cr18密封摩擦副的摩擦特性

针对无压喷油运行工况下机械密封端面磨损严重问题,基于多功能摩擦磨损试验机开展浸呋喃树脂石墨M180K和浸锑石墨M181D配对9Cr18金属环的摩擦磨损试验。探讨操作工况参数轴向载荷和线速度对浸渍石墨摩擦因数和摩擦扭矩两摩擦特性参数的影响,对比研究不同摩擦状态下线速度对两摩擦特性参数的影响,并基于三维形貌仪采集2种浸渍石墨试验前后的表面形貌。结果表明：低黏油润滑工况,一定范围内提高pv值有助于减小浸渍石墨摩擦因数,但轴向载荷的增加提高了摩擦扭矩;而较大轴向载荷时,增加线速度有助于减小摩擦扭矩;相同操作工况和摩擦状态下,浸锑石墨摩擦因数显著小于浸呋喃树脂石墨对应值且表面磨损轻微;相比而言,浸锑石墨的耐磨性更优异,更适用高参工况。