基于Fluent的螺旋槽上游泵送机械密封三维微间隙流场数值模拟

密封端面微间隙液膜特性是上游泵送机械密封性能研究的关键。采用Pro/E wildfire软件建立参数化螺旋槽上游泵送机械密封端面微间隙液膜几何模型,以清水为工作介质,使用Fluent软件,对跨尺度密封端面微间隙流场进行三维数值模拟,得到开启力及压力分布规律,并与有关测试结果进行对比分析,实验数据与模拟数值基本吻合,表明所采用的模拟方案可对螺旋槽上游泵送机械密封微间隙三维流场进行较好地描述,该方法可用于密封端面微间隙流场及性能的系统研究;对端面压强分布进行分析,结果表明,在螺旋槽外槽根处存在最大静压,液膜开启力的增大主要来源于槽根产生的最大静压。     

螺旋槽机械密封液膜流场的动静压对比分析

以外侧开槽的螺旋槽动静环密封端面与不带槽的动静环密封端面间的液膜为研究对象,建立其三维的有限元周期模型,运用计算流体力学(CFD)软件Fluent对液膜流场特性进行数值模拟,得到了液膜的压力和承载力分布规律。通过两者对比,分析了操作参数(转速、压差)对密封性能的影响,结果表明开槽的密封端面液膜具有明显的动压效应,液膜的承载力也大;并继续探讨了螺旋槽的参数(螺旋角、槽深)对螺旋槽机械密封的最大动压和承载力等密封性能的影响,研究结果为螺旋槽的设计提供了有益的参考。     

螺旋槽气膜密封微间隙流场的三维数值模拟

根据端面、柱面气膜密封的结构特点,建立端面螺旋槽与柱面螺旋槽气膜密封三维数值分析模型,基于有限体积法利用Fluent软件对端面、柱面气膜密封三维流场特性进行数值模拟研究.与试验结果和相关文献的算例比较验证了该三维数值模拟方法的正确性,为进一步进行密封界面表面状态模拟分析及气膜密封的设计应用提供了理论基础.     

螺旋槽型机械密封端面槽型几何参数优化研究

应用fluent软件对螺旋槽型机械密封润滑液膜特性进行了数值模拟,得到了润滑液膜流场的压力分布、泄漏量、液膜开启力;通过比较不同螺旋槽几何参数的密封特性,得到了较优的螺旋槽型几何参数值：槽数12、螺旋角0.3 rad、槽长比0.7、槽宽比0.7、槽深10μm。     

基于Fluent的螺旋槽干气密封数值模拟与分析

笔者从计算流体力学出发,使用GAMBIT对模型进行网格划分,用世界著名的CFD软件Fluent对螺旋槽干气密封进行了数值模拟分析,并与权威的试验值进行比较,验证了所用方法在螺旋槽干气密封研究中应用的可行性和可信性。     

空化效应下端面液膜机械密封性能分析

针对端面螺旋槽液膜密封空化效应,基于Schnerr-Sauer空化模型,采用流场计算软件FLUENT对机械密封端面液膜密封流场进行空化模拟,探究液膜密封在不同转速、入口压力、槽深、液膜厚度以及不同螺旋角对空化效应的影响规律。研究结果表明：端面螺旋槽液膜密封在考虑空化效应时的开启力、泄漏率均小于不考虑空化效应工况下的值,而且工况参数和结构参数的影响规律基本相似。综合考虑端面螺旋槽液膜密封的密封性能以及可靠性,建议取槽深为10～14 μm、液膜厚度为3～4 μm和螺旋角为15°～20°时,端面螺旋槽液膜密封的整体密封性能最佳。     

螺旋槽干气密封润滑气膜特性的数值模拟

应用计算流体动力学分析Fluent软件对螺旋槽干气密封润滑气膜特性进行数值模拟,得到气膜流动场的压力分布、泄漏量、气膜开启力等特性参数;模拟数据与试验数据进行比较,并分析两者存在误差的原因。结果表明,随着转速、介质压力的增大,螺旋槽干气密封气膜压力、开启力、泄漏量也增大;该模拟方法的模拟结果与实验结果基本一致,可用于螺旋槽干气密封的优化设计。     

适用于幂律流体螺旋密封封液能力近似解析分析

为研究密封介质为非牛顿流体的螺旋密封封液性能,以幂律流体为研究对象,基于CREASE推导的密封介质为牛顿液体时螺旋密封封液能力计算方法,将幂律流体二维定常流动速度分布方程替代牛顿流体二维定常流动速度分布方程,近似解析得到密封介质为幂律流体的螺旋密封封液能力表达式。将近似解析计算结果与利用Fluent软件模拟的结果进行对比,两者数据较为吻合。利用提出的近似解析法,分别分析操作参数和几何结构参数对封液能力的影响。结果表明,当螺旋密封用于密封幂律流体时,封液能力随稠度系数、流性指数、转速的增加而增大;随螺旋角、相对槽宽、相对槽深的增加先增大再减小。     

T型槽干气密封端面流场的数值模拟

为深入了解T型槽干气密封的端面流场特性,提高其运行稳定性,基于Navier-Stokes方程对端面流场进行了数值模拟.用Solidworks软件建立了T型槽干气密封的三维几何模型,并用Gambit软件对从整体模型中切割下来的计算区域划分网格;采用计算流体力学软件Fluent对端面流场进行了模拟仿真,得到了端面压力场的分布规律.结果表明:T型槽干气密封能产生较好的流体动压效应;使用Fluent软件分析T型槽干气密封性能是可行性的.     

槽底倾斜度对螺旋槽干气密封性能的影响

提出一种可以计算斜底螺旋槽干气密封性能的近似解析方法。构建槽底倾斜螺旋槽干气密封的气膜厚度表达式,基于螺旋槽的窄槽理论,近似解析求解其气膜压力控制微分方程,获得槽底倾斜螺旋槽干气密封端面气膜压力分布,进而获得端面开启力、气体泄漏率和气膜刚度等密封性能,并将结果与Fluent软件计算结果进行对比,两者的结果吻合。计算结果表明:斜底槽对密封开启力和泄漏率的影响规律取决于初始槽深;与平底槽比较,当初始槽深较小时,斜底槽的开启力较小,但泄漏率也较小;当槽深较大时,斜底槽具有较大的气膜开启力,槽底倾斜程度越大,开启力越大,但同时泄漏率也越大;一般地,斜底槽具有较大的轴向气膜刚度,槽底倾斜程度越大,气膜刚度越大,抗干扰能力越强。     

螺旋槽上游泵送机械密封性能理论分析与数值模拟

密封端面液膜压力分布情况是阻止密封泄漏的关键因素。采用Pro/E wildfire软件建立上游泵送机械密封几何模型,使用Fluent软件进行三维数值模拟,得到压力分布规律,利用Muijderman无限窄槽理论对动静环端面膜压分布规律进行求解,并与数值模拟结果进行比对,两种方法得到的结论一致,螺旋槽外槽根处存在最大静压,内外径存在一定压差,会产生动压效应,迫使流体被泵送至上游端,有效实现密封。     

组合螺旋型槽干气密封密封性能的CFD仿真

设计一种由2个螺旋槽组合构成新型螺旋型槽干气密封结构,该组合螺旋型槽由沿外圈开设的大螺旋槽以及沿大螺旋槽根部开设的小螺旋槽组合而成。运用流体仿真软件Fluent对组合螺旋型槽干气密封的密封性能进行数值模拟,并与螺旋型槽干气密封进行比较。通过正交试验法对组合螺旋型槽干气密封的结构参数进行优化分析,获得了以开启力、泄漏量、扭矩为目标函数的组合螺旋型最优端面结构。结果表明,组合螺旋型槽干气密封在同等结构参数下的密封性能优于螺旋型槽干气密封,且压力、槽台宽比和槽深越大,组合螺旋型槽在减少泄漏量方面的优势更加明显;对于组合螺旋型槽干气密封,泄漏量、开启力、扭矩最优对应的端面结构参数组合不同,在干气密封设计时,应根据设计目标需要,选择合适的端面结构参数组合。     

航空发动机轴承腔气液两相润滑机械密封性能分析

针对航空发动机轴承腔气液两相环境非接触式机械密封启动过程的磨损问题,提出高压侧具有引流槽、可实现零泄漏的润滑密封端面结构。基于雷诺方程建立润滑膜流场分析模型,求解计算具有动压-润滑组合槽的机械密封性能,并与普通螺旋槽机械密封进行了性能对比,讨论高压侧引入润滑槽对液膜厚度、液膜刚度、泄漏率以及摩擦性能的影响规律,通过高速性能试验及摩擦磨损试验验证计算的准确性和端面的减磨效果。端面结构在低速阶段的接触摩擦试验显示,具有组合槽的密封端面在相同的启停工况下端面摩擦因数可以有效降低50%～75%,高速性能试验结果显示,具有组合槽和仅有动压槽的机械密封在工况范围内均能保持理想的负泄漏率,说明气液两相润滑机械密封能够在工作环境中处于理想的泵送状态,实现了对润滑油的绝对密封效果。外侧深槽与动压浅槽组合的机械密封端面结构可以显著改善端面摩擦磨损状况,可为高速和超高速轴承腔气液两相机械密封端面减磨优化设计提供参考。     

单向双列螺旋槽干气密封流场数值模拟

对一种具有我国自主知识产权的单向双列螺旋槽干气密封端面流场进行了数值分析。采用商用CFD分析软件Fluent,应用RNGk-ε湍流模型、SIMPLE算法,计算了密封端面的压力分布、开启力、泄漏量,并计算了特定工况下密封的工作膜厚、工作泄漏量。结果表明该密封具有良好的动压效应和较小的泄漏量,对该类干气密封的进一步优化设计有一定的指导意义。     

螺旋槽机械密封的可控性

螺旋槽机械密封动环和静环端面间的液膜厚度为微米级,易受外界干扰而破溃、失效.基于液膜流动、密封环传热和热变形的耦合分析,确定与闭合力对应的液膜几何尺寸,得到密封环温度与泄漏率.将静环内侧温度和泄漏率作为反馈参数、闭合力作为调节参数,建立螺旋槽机械密封的控制方法.依据该方法,结合反馈、调节机械系统,可实现螺旋槽机械密封的可控性运行,从而可以提高螺旋槽机械密封的变工况适应能力.     

湍流效应对空化流场及密封性能的影响

针对端面螺旋槽液膜密封空化效应及稳态密封性能,基于k-ω湍流模型及Schnerr-Sauer空化模型采用专业流场仿真软件对机械密封端面螺旋槽液膜进行流场模拟研究,对比分析层流和湍流2种流态下不同螺旋槽几何参数和操作参数对密封稳态性能以及空化区域面积的影响。研究结果表明：端面螺旋槽液膜密封在湍流状态下的开启力、泄漏率以及空化面积比均大于层流模型下的值,且随着几何参数和工况参数的变化,层流效应和湍流效应对密封开启力、泄漏率以及空化面积比的影响规律基本相似;在不同条件下,螺旋槽外径侧更容易产生空化效应,且湍流效应下的空化区域明显大于层流效应下的值。研究表明在端面螺旋槽液膜密封中,湍流效应和空化效应对密封稳态性能的影响不可忽略。     

柱面螺旋槽干气密封流动场数值计算与试验验证

针对柱面螺旋槽干气密封中的单列螺旋槽结构特点,建立螺旋槽浮环气膜密封的数学分析模型。基于中心差分法和Newton-Raphson迭代法,进行压力控制雷诺方程和气膜厚度方程的求解,得到压力和气膜厚度分布及不同操作参数下柱面单列螺旋槽气膜的泄漏量,并分析工况参数对柱面螺旋槽稳态性能的影响。结果表明:泄漏量是随着偏心率和压力的增加而升高;当偏心率一定时,转速的增加,导致泄漏量下降;当转速一定时,压力的上升导致泄漏量的急剧上升,近乎线性分布。试验结果与理论分析结果相吻合,验证了理论模型和计算方法的正确性。     

仿树形槽干气密封稳态性能分析*

针对经典螺旋槽干气密封在反向旋转时动压效果较差,易遭受磨损、失稳等问题,提出一种新型双向旋转式仿树形槽。首先应用SolidWorks软件建立气膜三维模型,然后应用ICEM软件进行网格划分,最后在Fluent软件里对流场进行仿真模拟,将不同膜厚、槽深、转速等参数下开启力、泄漏率的计算结果与螺旋槽进行对比。结果表明：仿树形槽相较螺旋槽可产生明显的动压效应,且开启力较大,但其泄漏率较高,其中仿树形槽膜厚取2 μm,槽深取5~7 μm时,密封性能较好;膜厚和槽深对密封性能有较大的影响,干气密封开启力随膜厚增大而减小,随槽深的增大而增大;压力和转速增大2种槽型开启力都随之增大,但相比螺旋槽,仿树形槽密封性能受转速影响更小,且具有更好的开启效果。仿树形槽在实现双向旋转的同时也具有较好的密封性能,为双向旋转式干气密封槽型的设计提供一定的参考。     

双螺旋角槽干气密封的槽型优化设计

建立单螺旋角槽干气密封的数学模型,利用数值方法分别研究槽数、螺旋角、槽深、气膜厚度、槽台比以及转速对密封性能的影响规律,计算结果与文献的实验值基本吻合。通过分析对比泄漏量、流场压力分布、平均开启压力等密封性能参数,优化出性能最佳的干气密封几何结构参数。针对单螺旋角槽在螺旋槽入口处的吸力面上存在明显的低压区的问题,提出双螺旋角槽干气密封结构。计算结果表明:双螺旋角槽在密封端面之间产生平均开启压力高于单螺旋角槽;相比于单螺旋角槽,双螺旋角槽在吸力面的入口处的流动分离更加明显,在槽区产生的动压效应更加明显;双螺旋角螺旋槽的密封性能更佳,其气体泄漏量也低于单螺旋槽。     

考虑离心项的螺旋槽液膜密封空化特性数值分析

针对液膜密封中空化问题,建立基于质量守恒JFO边界条件的螺旋槽液膜密封数学模型,采用流线迎风有限元法求解考虑液膜离心项的Reynolds控制方程,获得端面膜压分布,进而分析了操作参数对空化特性的影响。结果表明:不同操作参数下,空化发生时的液膜破裂位置均位于螺旋槽边界线上;转速的增大、膜厚及介质压力的减小促进空化的生成,反之,抑制空化发生。计算结果为液膜密封在不同操作条件下的设计和应用提供理论指导。