动环补偿型液膜密封三自由度动力学响应特性分析

密封环角偏差及转轴轴向振动直接影响液膜密封的动态追随性,以工程中常见的动环补偿型螺旋槽液膜密封为例,分析补偿环的动力学响应特性。建立液膜密封三自由度动力学分析模型,采用有限差分法离散计入挤压效应项雷诺方程,与膜厚方程、轴向及角向动力学方程组联立,求解补偿环中心位移及X向、Y向角偏差的响应特性。结果表明:轴向激励造成补偿环发生轴向正弦波动,但波动幅度仅为激励振幅的3. 16%;轴向激励对补偿环角向响应无影响;随偏差值的增大,静环固定角偏差及动环初始角偏差对补偿环轴向响应的影响越发凸显;动环能够对静环保持良好的角向追随性,动环初始角偏差将造成动环自身发生角振动。     

弹簧和密封圈刚度和阻尼对气体端面密封追随性的影响研究

气体端面密封在实际运行中,静环对动环轴向窜动和角向摆动的跟踪响应能力(追随性)至关重要,优良的追随性能够降低外界干扰对密封稳定性造成的影响。将气体端面密封简化为弹簧-阻尼-质量系统,基于线性化的摄动法求解了密封气膜动态性刚度和阻尼系数,在此基础上研究了弹簧和补偿环用辅助密封圈刚度和阻尼对气体端面密封追随性的影响规律,研究对象包括动压式密封、静压式密封以及动静压混合式密封三种密封形式。研究结果表明:当刚度和阻尼分别小于某数量级时,三种密封在轴向和角向均能具有优异的追随性,随着刚度和阻尼的增加,密封追随性随之变差;同等条件下,动压式密封追随性最好,动静压混合式密封次之,静压式密封最差。     

液膜密封振动及冲击动力学特性

液膜密封运行过程因工况瞬时变化、系统振动及润滑不足等因素易引发端面接触冲击,严重影响密封寿命。建立考虑端面接触的液膜密封动力学模型,采用直接数值求解方法对运动方程、质量守恒空化边界雷诺方程、微凸体接触方程在全时间域内耦合求解,研究了液膜空化、轴向扰动及运行工况瞬变对密封稳定性与冲击特性的影响。结果表明:液膜空化有效提高了系统抗干扰能力,膜厚越小,受扰动后震荡频率越大且恢复至稳定状态的时间越长;发生端面冲击时膜厚振动频率显著大于全液膜状态下所受扰动情况。随转速及密封腔压力变化值的不断扩大,接触载荷值及冲击频率均不断增大,冲力响应越显著,在端面接触发生瞬间有明显的速度方向突变。     

机械密封与磁性液体组合密封流体动压效应的研究

为提升机械密封与磁性液体组合密封的密封性能、减少泄漏量,建立了密封环与密封间隙内液膜的流固耦合模型。采用数值迭代方法进行了流固耦合场的数值分析计算,研究求解组合密封中密封环端面机械变形的解析方法,并通过ANSYS有限元法验证该解析法的适用范围。进一步研究了流固耦合模型对组合密封性能的影响。由于在密封环端面开设直线型槽的作用,密封环端面形成了一定的周向波度和径向锥度。而密封泄漏率随锥角的增大近似呈线性比例增大,泄漏率受锥角的影响较大。密封介质压力升高时,密封环端面周向波度随之增大而径向锥度没有明显变化,这是由于在密封环端面沿周向设有直线型槽作用,减少了锥度增加的幅度,从而减少了密封环端面间的泄漏量。     

密封环扰动状态下稳定性分析及动态响应

应用微扰方法和数值计算对重载车辆传动装置密封环在扰动状态下的稳定性及其动态响应进行分析。根据传动装置密封环的工作特点,建立了密封环三自由度的扰动模型,采用有限差分法求解时变雷诺方程,模拟实际运行工况,应用动态参数计算模型,对密封油膜的刚度和阻尼系数进行了数值求解,分析了角微扰动与偏转力矩的关系,研究了密封轴向、周向的刚度系数和阻尼系数随工况条件的变化规律,预测对密封面碰摩的影响。结果表明,油膜厚度对系统的刚度和阻尼系数影响较大,在膜厚较大时,密封的不稳定性增强。同时随着工况条件的变化,特别在Pv值较大时,刚度系数增长较快。适当控制膜厚和合理配置传动装置的转速和输入压力,对预防密封碰摩较为有利。     

多孔介质模型镁合金流变铸轧LBM模拟

根据REV尺度多孔介质格子-Boltzmann方法基本理论,建立求解高固相率半固态浆料渗流过程的热流耦合数值模型.应用模型对变孔隙率Poiseuille流动及纯扩散凝固进行模拟.LBM模拟结果与有限差分模拟吻合.分析了压差作用下浆料在平板间渗流冷却与热流耦合过程.模拟结果表明浆料渗流速度随温度降低而减慢,相同时刻下凝固潜热较大的浆料渗流Re数高.利用提出的模型初步探索了AZ91D镁合金半固态流变铸轧过程的热流场分布.     

波纹角对波纹竖板冷凝换热特性的影响

为了提高板式换热器的换热性能,探究换热板片的波纹角对波纹竖板冷凝侧换热特性的影响,优化其结构参数,采用建模计算的方法定量分析了波纹角对板片换热面积、液膜下落时间、流体努塞尔数、摩擦系数等参数的影响,并用可视化实验观察了不同波纹角下液膜流动路径的特点。分析结果表明,波纹角的变化对板片换热面积影响很小,可以忽略。波纹角越小,液膜下落时间越短,排液速度越快,液膜厚度越小,越有利于冷凝传热。波纹角越大,冷凝液的流动路径越接近波纹状流型,扰动越剧烈,增大了流体的雷诺数和努塞尔数,且雷诺数值越大,努塞尔数对波纹角的变化越敏感。流体与波纹板的摩擦系数也会随着波纹角的增大而增大,蒸气冷凝时产生的摩擦压降也越大。     

螺旋槽动压型口环密封动力特性研究

泵叶轮口环密封的动力特性与口环间隙内部流动特性乃至泵的运转稳定性密切相关,流动特性的改善可通过口环密封面造型来实现,为此,提出一种针对小间隙的"密封坝+螺旋线槽"微造型口环密封结构以期获得更优的口环密封动力特性。研究表明:层流模型和湍流模型计算得到的口环密封动力特性和密封性能在基本规律上具有较好的相似性,只是在参数变化的趋势和幅度上存在一定的差别,分析认为湍流模型能够更充分地反映微间隙、微结构对流动特性的影响;螺旋槽产生的动压效应和泵送效应随转速的升高、径向间隙的减小而增强;与光滑口环相比,螺旋槽口环能明显提高液膜最大压力值,且随动环偏心距的增大提升幅度更显著;可见螺旋槽造型能使口环转子获得更好的对中性,减少磨损,延长使用寿命。     

黏弹性热流固耦合作用诱导聚合物变形的机理EI北大核心CSCD

模内微装配成型有望成为高效低成本产业化聚合物微型机械制造技术,而如何准确预测和精密控制其二次成型过程的黏弹性热流固耦合变形仍是其工业化的技术瓶颈。基于考虑微装配界面周围高温黏弹性熔体流动环境边界约束作用,建立了描述模内微装配成型黏弹性热流固耦合作用诱导聚合物变形的理论模型。研究表明,黏弹性与纯黏性熔体热流固耦合的本质区别在于熔体的弹性特性能有效抑制微装配界面的热流固耦合作用,使得预成型微型轴的变形和装配界面的热流固耦合载荷均随二次成型熔体松弛时间的延长而减小,且其变形受控于微装配界面所承受的黏弹性热流固耦合压力、黏弹性支撑正应力和黏性拖曳剪切应力,选用高弹性二次成型熔体有利于抑制黏弹性热流固耦合变形,可提高微装配加工精度。     

基于液-固耦合有限元分析方法的气-液型减振器补偿阀性能研究

通过实验和有限元模拟,对比分析了轿车悬架双筒式气-液型减振器的两种典型结构的油液补偿阀工作性能的差异。利用ADINA有限元分析软件分别建立了两种补偿阀的结构动力学模型和流体动力学模型,进行了油液补偿阀的液-固耦合动态响应计算分析,得到了两种补偿阀的非线性节流特性、流场特性以及补偿阀阀片的动态响应特性。分析表明,两种补偿阀的节流孔结构不同,导致二者的补偿能力具有较大的差异,从而使得此二种减振器的空程性畸变临界速度点具有较大差异。当流量较大时,节流孔的节流作用对补偿阀的性能影响较大,通过合理设计节流孔结构,可以有效地提高双筒式气-液型减振器的空程性畸变临界速度点,提高减振器的高速工作性能。     

客车空调送风参数对室内流场的影响研究

旨在研究空调送风参数对室内热流场的影响,以某9m旅行客车为研究对象,建立三维流场模型;基于RNG k-ε湍流模型;采用SIMPLE算法计算了客车室内5组不同送风参数下的气固耦合传热问题。结果表明:送风角度对整体温度场与速度场的分布影响较大,送风角度为15°时乘员舒适性较好;在送风温度不变的情况下,随着送风速度的增加室内平均速度增大,车内平均温度也随之降低,而送风温度仅对温度场有明显影响。     

三维瞬态方形管流的热流固耦合数值模拟

以主动冷却发动机壁板为模型,考虑受均匀热流载荷作用下方形管在流体冷却过程中的共轭传热问题,建立了防热涂层、固体管道和冷却液的三维耦合模型。利用数值离散方法进行了瞬态热流固耦合分析,得到了固体结构和流场的瞬态温度场、界面热流及结构应力分布规律。结果表明:在冷却液的作用下结构温度能达到稳定值,但油冷情况下稳态温度值高于水冷情况;在流固界面处温度沿流向逐渐上升,且壁面热流分布在界面上下表面处随时间变化情况不同,在结构边角处出现较大的应力集中。     

热耗散变形下干气密封角向摆动稳定性的研究

干气密封系统角向摆动对密封端面造成磨损和影响密封的稳定性,通过数值求解和试验测试来探究密封角向摆动的稳定性规律。基于非线性振动理论,建立了气膜-密封环系统角向摆动模型,同时考虑热耗散变形对气膜厚度和刚度的影响。将气膜刚度和阻尼表示为含有摆角的多项式变量代入振动方程并设置无外激励,利用Floquet指数对非线性振动微分方程进行求解。在热耗散变形下的螺旋角为75°48'32″和无热耗散变形下的螺旋角为75°42'55″时,密封将会发生Hopf分岔,表明考虑热耗散变形下系统稳定运行时的螺旋角范围更大,热耗散变形对螺旋角和分岔点位置有一定影响。选取75°50'和75°两种螺旋角测试热耗散变形下角向摆动对密封端面和泄漏量的影响,发现考虑热耗散变形下螺旋角75°50'的干气密封端面擦痕严重,泄漏量不断增加,无法稳定,相比较螺旋角75°的泄漏量更大,说明热耗散变形对干气密封角向摆动有一定的影响,为干气密封的动态优化设计提供了理论指导。     

推进剂与贮箱液固耦合振动的动力学分析

分析液体燃料运载火箭的推进剂及贮箱的耦合振动时,为了精确建模、工程化快速计算及为火箭整体系统提供液固耦合燃料系统等效模态参数,根据有限元方法得到包含液体节点压力和结构节点位移的非对称形式的耦合动力学方程组,将表征液体运动的节点压力缩聚到液体自由面,使得方程对称化。通过等价Laplace方程边值问题的求解,得到耦合动力学方程中液体对结构的附加质量矩阵、附加刚度矩阵及耦合项。简易贮箱液固耦合模态分析的算例结果表明,该分析方法能够精确、快速地获得液固耦合系统的模态频率等动力学特性。从而使得高效率的液固耦合动力学分析在工程上应用成为可能,并为运载火箭等复杂液固耦合结构的有限元建模由简化模型向三维精确模型建立和工程化应用建立了基础。     

C/C复合材料的热化学烧蚀和温度场耦合分析

通过对热化学烧蚀机制的分析, 利用有限元方法分析了热化学烧蚀、 烧蚀表面退缩及温度场耦合作用下C/C复合材料的烧蚀性能变化规律。采用虚拟失效、 重新构建网格部件的方法实现烧蚀表面的退缩, 建立了烧蚀表面退缩下瞬态温度场的有限元模型。运用热化学烧蚀理论求解了进入材料内部的净热流和烧蚀率。烧蚀表面退缩后变得不规则, 通过编程校正了重新加载热流时不规则表面出现局部热流偏大的现象。结果表明, 随着烧蚀时间的增加, 进入材料内部的热流达到动态的平衡, 材料的烧蚀是多种因素综合作用的结果, 通过耦合计算可以真实反映材料的烧蚀特性。     

C/C复合材料的热化学烧蚀和温度场耦合分析

通过对热化学烧蚀机制的分析,利用有限元方法分析了热化学烧蚀、烧蚀表面退缩及温度场耦合作用下C/C复合材料的烧蚀性能变化规律.采用虚拟失效、重新构建网格部件的方法实现烧蚀表面的退缩,建立了烧蚀表面退缩下瞬态温度场的有限元模型.运用热化学烧蚀理论求解了进入材料内部的净热流和烧蚀率.烧蚀表面退缩后变得不规则,通过编程校正了重新加载热流时不规则表面出现局部热流偏大的现象.结果表明,随着烧蚀时间的增加,进入材料内部的热流达到动态的平衡,材料的烧蚀是多种因素综合作用的结果,通过耦合计算可以真实反映材料的烧蚀特性.     

摇摆状态下TFE/NMP降膜吸收理论研究

根据船用条件下吸收器内溶液降膜吸收的特点,建立了摇摆状态下垂直管内TFE/NMP降膜吸收过程中动量、热量和质量传递的物理和数学模型.模型中充分考虑了转动附加惯性力对降膜流场中液膜厚度、速度、温度和浓度分布的影响.采用膜内积分与全隐式有限容积相结合的数值方法求解理论模型.通过对计算结果的分析,可以发现,在摇摆状态下TFE/NMP降膜吸收过程中,由于转动附加惯性力的存在,液膜内速度、温度和浓度等参数分布具有周期性和对称性特点.     

计算流体润滑频变动力学特性的一种完整变量扰动偏导数法EI北大核心CSCD

高速旋转机械使用工质流体润滑轴承既能彻底避免工质被油污染,又降低密封技术难度同时简化轴系结构以提高轴系动力学性能。然而特种参数下流体有着复杂的热物性,从而带来润滑膜的湍流、真实气体可压缩流动等多种附加效应。该研究从一般形式的可压缩湍流润滑雷诺方程出发,通过建立动态映射关系给出一种不局限于特定润滑流体或热物性模型的轴承静动特性分析通用方法,即完整变量扰动的偏导数法。该方法适用于具有附加效应的轴承与密封的频变动力学特性计算,能够统一处理结构扰动和润滑膜可压缩性带来动力学系数的频率效应。结合有限增量法,验证了完整变量扰动方法的准确性,并给出该方法应用于超临界二氧化碳、油润滑高速可倾瓦轴承动力学系数求解的案例。结果表明,忽略压力和膜厚以外的扰动变量将导致动力学系数明显偏大,该算例中刚度和阻尼系数的最大偏差分别为88%和93%。     

空冷/水冷混合冷却竖管内LiBr溶液降膜吸收过程数值解

针对风冷和水冷联合冷却的竖管降膜吸收器,考虑汽液界面的阻力、变膜厚、横向对流和冷却水的冷却作用的影响,建立了降膜吸收过程中热质耦合数学模型和同心管环空内冷却水换热数学模型.计算了沿竖管内表面的液膜厚度、温度、浓度以及冷却水在混合冷却条件下的温度分布等参数.分析了冷却水进口温度、LiBr溶液Re数和PE数等参数对传热系数和吸收速率的影响.数学模型的计算结果与实验数据吻合较好.得出的结论对联合冷却吸收器的设计和优化具有指导意义.     

膜蒸馏过程探讨

讨论了膜蒸馏涉及的膜材料特性.提出水膜阻力概念,认为疏水膜材料结构的优化与膜蒸馏工艺有关.提出鼓泡膜蒸馏方法,在热流体中鼓入空气气泡,由气液两相流效应来强化热流体的扰动.提出透气膜蒸馏方法,通过气体的吹扫夹带作用,使膜孔内水蒸气的传质由低效的扩散转为高效的对流机理.提出曝气膜蒸发方法,利用不同温度的空气吸湿原理进行膜曝气.将膜蒸馏过程与化学除硬度、超滤耦合,可除去结垢性钙镁离子;将膜蒸馏过程与气浮絮凝过程耦合,可除去有机污染物,实现高倍率浓缩.提出多效膜蒸馏方法,膜组件兼有蒸发与换热功能,使膜蒸馏过程中的水蒸气冷凝与原水加热过程耦合,可以实现低成本的膜蒸馏过程.