平板式固体氧化物燃料电池封接气密性的LBM模拟与分析

对平板式固体氧化物燃料电池(SOFC)的压缩密封结构的泄漏特性进行定量研究。为模拟粗糙泄漏通道的复杂形貌,采用粗糙表面数值重构技术来构建不同气体泄漏通道;考虑流动通道尺度细微、边界复杂,应用格子Boltzmann方法(LBM)对气体流动特性进行数值分析,建立包括粗糙表面几何特性参数在内的泄漏率计算模型;通过单粗糙峰微观接触力学分析,建立泄漏通道结构特征参数随应力变化的定量关系式,并分析各种因素对封接气密性的影响。结果表明:压缩密封结构的主要影响因素为粗糙表面形貌、密封材料机械力学特性、密封流体物性以及密封结构工作状态;表面粗糙度越大,温度越高,泄漏率越低;压缩密封过程中材料变形较小,对泄漏率的影响也较小;不同介质的热物理性质差异会引起泄漏率的不同。将提出的模型应用于某SOFC密封结构的泄漏率预测,计算结果与实验测量结果吻合良好,验证了模型的准确性。     

接触式机械密封基本性能研究进展

研究包括端面摩擦特性和密封特性(泄漏指标)的接触式机械密封基本性能,有利于延长机械密封的使用寿命,减少因泄漏带来的损失。通过对前人在机械密封端面摩擦特性及泄漏特性方面的研究成果包括摩擦特性参数、表面形貌的影响及其表征、端面材料配对、泄漏通道模型及界面流体流动特性的综述,分析了现有研究存在的不足,指出了机械密封基本性能研究的后续方向:全面考察机械密封的摩擦及泄漏特性,优化密封界面泄漏通道模型,建立密封界面流体流动模型。     

机械密封端面形貌的三维重建及其表征

为了准确方便地描述机械密封端面的三维形貌及泄漏通道,基于密封环端面断层扫描二维图像,研究开发了机械密封端面形貌三维重建程序;提出了机械密封端面形貌的表征参数,并建立了基于体素的密封端面计盒维数和孔隙率算法。研究结果表明：基于断层图像的密封端面三维重建形貌能有效地反映密封端面的三维计盒维数和孔隙率等参数;层与层之间的面孔隙率具有一定的变化规律,在体孔隙率不变的情况下,改变各断层面孔隙率的分布,可以控制动静环密封端面间泄漏通道的形成及泄漏通道的大小;当采样层数较少时,采样层数对计算结果影响较大,在采样层数达到一定数值后,采样层数对计算精度的影响越来越小。     

粗糙表面间密封性能研究进展

在微观尺度下的静密封界面表面形貌是粗糙不平的，两粗糙表面上的微凸体在载荷作用下会接触形成孔隙；随着接触压力的减小或观察尺度的增加，当孔隙增加到一定数量时孔隙之间会相互连通形成泄漏通道，影响密封性能。现有的粗糙表面密封分析基于均化思想、逾渗理论和多孔介质思想等方法建立泄漏通道模型，考虑表面粗糙度、表面纹理以及表面载荷等对密封性能的影响。对现有的粗糙表面间密封性能的研究现状进行综述，分析现有的粗糙表面密封研究方法存在的不足之处，指出粗糙表面间密封研究可能的方向，为进一步研究粗糙表面密封机制提供了参考。     

零件真实粗糙表面构建及微观接触性能分析

目前对于微观粗糙表面模型的构建主要采用统计数学方法和分形方法,建模的前提基于大量假设和简化,不能真实反映表面形貌特征。因此提出了采用三维数字化测量与逆向工程相结合建立零件真实粗糙表面的方法,并分析微观接触性能。利用三维形貌测量仪测量得到真实粗糙表面形貌数据,并经过数据精简、去噪处理,采用逆向建模方法得到真实粗糙表面的三维实体模型;应用有限元分析技术,分析粗糙表面接触性能,包括结合面接触应力随载荷变化规律、不同加工方式零件界面真实接触面积变化规律,以及结合面受力-变形关系等。该方法有利于揭示零件微观界面接触机理,为进一步研究宏微观接触性能提供了方法参考。     

基于逾渗理论的接触式机械密封泄漏特性分析

以接触式机械密封动、静环接触界面为研究对象,分析其表面微观形貌中的自仿射分形特性,结合逾渗理论,对密封端面泄漏通道特性进行理论分析,并利用Fluent软件对微通道内的流体流动进行数值模拟,探讨机械密封的端面载荷、表面形貌参数对泄漏量的影响。研究结果表明,密封端面的泄漏量随密封端面分形维数的增加而降低;在某一确定分形维数下,随着表面轮廓尺寸系数的增大,泄漏率也相应增大;端面比载荷对机械密封泄漏率的影响存在但并不显著。逾渗理论是一种研究多孔介质的强无序及随机几何结构端面特性的较好方法,对实现机械密封工作状况的正确判断,指导机械密封件的设计、制造、使用和维修具有一定的指导意义。     

密封结构中粗糙表面特征对其气密性的影响

基于Gauss分布函数和指数自相关函数关系建立三维粗糙表面的数学模型,获得密封面的数值粗糙表面。进而在三维数值粗糙表面的基础上,采用流动数值分析方法,对金属垫片密封结构的气密性进行了研究,分析表面粗糙度、应力以及材料力学特性等相关参数对泄露率的影响。为构建泄漏率表达式,引入流量因子表征现有模型泄漏率与平行圆板模型的差异,流量因子是膜厚比的函数。该工作实现了静接触密封结构泄漏特性定量评估的数值分析方法,对各种硬密封结构的高精度设计有着重要指导意义。     

基于多孔介质模型的机械密封静压泄漏特性分析

针对接触式机械密封普遍存在的渗漏现象,考虑到流体在多孔介质中的流动和在密封端面间的流动具有相似特征,基于多孔介质模型建立密封端面间渗流模型,通过对动量方程和连续性方程的推导,得到适用于密封端面间流体流动的控制方程,提出一种密封端面间泄漏率的解析计算新方法,并与COMSOL数值模拟得到的泄漏率进行对比分析;研究孔隙率、端面表面粗糙度、膜厚、密封介质压力和弹簧比压对静压泄漏特性的影响规律。结果表明,泄漏率随孔隙率、端面表面粗糙度、膜厚和密封介质压力的增大而增大,随弹簧比压的增大而减小,解析计算结果和数值模拟结果的变化趋势基本一致,证明该解析法计算泄漏率具有实用性和可行性。     

往复式骨架油封密封界面内油膜压力和厚度分布

以汽车减震器密封用的往复式骨架油封为研究对象,基于润滑理论建立密封界面内的流体润滑数值计算模型来分析往复式骨架油封的密封性能,该模型耦合了固体力学、流体力学以及变形力学分析。采用ANSYS有限元分析提取密封区的静接触压力进行固体力学分析,采用超松弛迭代法求解雷诺方程进行流体力学分析,采用影响系数法求解密封唇面的变形,其中假定密封唇面的微凹凸形貌具有正弦和双余弦分布。通过模型分析密封唇面微凹凸形貌、往复速度对密封界面内的油膜压力和厚度的影响规律。结果表明:在2种不同形式的密封唇面微凹凸形貌下,内行程中密封界面内的油膜压力大于外行程的;密封唇面微凹凸形貌以正弦函数分布,往复式骨架油封密封处发生泄漏;密封唇面微凹凸形貌以双余弦函数分布,往复式骨架油封具有良好的密封性能。     

金属垫片泄漏模型理论研究

依据分形几何理论,结合不可压缩粘性流体层流流动理论,建立基于分形参数的金属垫片泄漏模型,该模型揭示了泄漏率与密封表面形貌之间的关系。研究表明,密封表面分形维数D越大,螺栓-法兰-金属垫片密封系统越不易发生泄漏,这对于法兰和金属垫片密封表面的加工具有重要指导意义。     

金属垫片密封机制研究

对金属垫片的泄漏形式和微观密封过程进行分析研究,并对金属垫片密封性能进行试验研究。研究表明:金属垫片密封泄漏形式主要是界面泄漏,而渗透泄漏通常可忽略不计;密封表面的表面形貌、压紧应力以及介质压力是金属垫片界面泄漏的主要影响因素,但密封表面的表面形貌对金属垫片密封效果影响比压紧应力和介质压力要显著得多。     

一种基于等效平行间隙的静密封漏率预测方法

工程中由于密封件形状多样化和表面接触压力复杂多变,现有分析方法难以快速对密封性能进行定量分析。提出一种将密封接触压力引起的粗糙表面泄漏间隙变化等效为平行泄漏间隙,进而采用可压缩雷诺方程进行漏率计算的方法。该方法可快速计算各种工况下的密封性能。通过设计测量漏率实验,标定出接触压力和泄漏间隙的关系。基于该关系,将由有限元模型计算得到的密封接触压力分布转变为等效平行泄漏间隙分布,进而通过雷诺方程计算出密封界面的漏率。通过D形截面垫片验证漏率预测方法的准确性,实验验证表明,该方法能够快速准确计算出不均匀密封接触压力表面的漏率。     

基于流固耦合的橡胶O形圈密封泄漏计算方法*

提出一种基于流固耦合的橡胶O形圈静密封泄漏计算方法。对平行平板泄漏模型进行改进,使其适用于通道截面高度可变的泄漏率、介质压力计算;采用有限元仿真方法进行固体力学分析,求解宏观接触压力;采用Greenwood-Willamson模型进行接触力学分析,求解泄漏通道平均高度。基于数值方法研究介质压力、环境温度、表面形貌参数对橡胶O形圈密封性能的影响规律。结果表明,随着介质压力、环境温度、表面高度分布标准差的增大,体积泄漏率逐渐增大。上述数值方法以泄漏率作为表征密封性能的参数,能综合考虑橡胶材料、介质、工况等多种因素对O形圈密封性能的影响,对橡胶O形圈的寿命预测和失效分析更具指导意义。     

基于微观模型分析的承压粗糙界面接触状态超声评价方法

提出一种用于承压界面接触状态超声评价的粗糙界面微观模型。通过对承压粗糙表面微观特性理论分析,建立粗糙界面微观形貌参数与承压界面超声响应之间的关系。开展三种不同粗糙度承压铝界面超声透射试验,得到加载和卸载过程界面透射系数随压力变化关系,进而获得界面接触刚度和非线性系数。研究表明,在较小压力情况下,超声非线性系数对承压界面接触状态评价具有更高的灵敏度。通过对试验检测数据进行非线性最小二乘拟合处理,确定出接触界面微观形貌特征参数,进而计算出接触界面声学特性指标。理论计算得到声学特性与试验结果吻合较好,证明粗糙表面微观模型用于非完好界面声响应预测的有效性。     

非API套管接头主密封结构气密性能试验分析

非API套管接头主要通过金属对金属的径向过盈主密封结构,保证气井开采时的井筒内气密性。依据7 in．套管接头尺寸选用锥面对锥面径向主密封结构型式加工试件,通过密封面过盈配合尺寸控制密封预紧力,测试不同密封预紧力下的气体泄漏率;分别采用车削、磨削和研磨工艺加工接触面,对比分析不同表面粗糙度对气密性能影响程度;取径向密封接触宽度范围2．5～25 mm,测试相同密封预紧力和气体压力下,不同接触宽度对应的气体泄漏率。试验测试结果表明,较高的初始接触压力是形成金属对金属密封的必要条件,当接触压力接近2倍材料屈服强度后,随气体压力升高泄漏率曲线近似保持水平,径向金属密封产生稳定气密性能;密封面的表面粗糙度不同,其进入稳定密封状态的快慢程度不同,表面光洁度越高、进入速度越快气密性能越好;径向接触宽度在2．5～10 mm范围内,气体泄漏率随接触宽度增加而显著降低,10 mm以后接触宽度对气密性能影响不大。     

表面形貌对燃料电池密封件接触特性的影响*

为探究燃料电池密封件表面形貌对密封接触特性的影响，采用Weierstrass-Mandelbrot分形函数表征密封件的表面形貌，基于Majumdar-Bhushan接触模型构建考虑密封件表面形貌的二维有限元模型。研究接触—一次线性加载—卸载—二次线性加载4个步骤下光滑表面与粗糙表面的接触特性，基于上述模型，研究材料硬度对燃料电池密封性能的影响。研究结果表明：粗糙表面二次加载后其应力分布均匀度低于第一次，且其2次加载后应力分布均匀度均低于光滑表面；粗糙表面二次加载后其最高应力与最大接触压力较第一次分别增加14.29%与89.29%，而光滑表面几乎维持不变；对于粗糙表面，其硬度越高，泄漏率越低，且其降低幅度随硬度增大而减小。     

Modeling the effect of skewness and kurtosis on the static friction coefficient of rough surfaces

Engineering surfaces possess roughnesses that exhibit asymmetrical height distributions. However, the Gaussian distribution is most often used to characterize the topography of surfaces, and is also used in models to predict contact and friction parameters. In this paper, the effects of kurtosis and skewness on different levels of surface roughness are investigated independently. This is accomplished by adopting the Pearson system of frequency curves and used in conjunction with a static friction model for rough surfaces to calculate the friction force and friction coefficient. This study is the first attempt to independently model the effect of kurtosis and skewness on the static friction and friction coefficient. It is predicted that surfaces with high kurtosis and positive skewness exhibit lower static friction coefficient compared to the Gaussian case. More importantly, it is predicted that, for high kurtosis values, the static friction coefficient decreases with decreasing external force rather than increasing as seen with increasing skewness. This is a very promising result for applications involving smooth lightly loaded contacts such as magnetic storage devices and microelectromechanical systems. The practical significance of the present model is specifically demonstrated on static friction predictions in magnetic storage head–disk interfaces. Such predictions can be used to determine the optimal characteristics of such devices prior to fabrication to achieve lower friction in terms of surface roughness, mechanical properties, apparent contact area, and operational environment.