微通道纳米结构的润湿接触状态对滑移减阻影响的分子动力学研究

针对流体在纳米通道的微尺度流效应,采用分子动力学方法以SPC/E水分子为纳米流动介质,分别计算模拟其在不同纳米结构的微通道内的润湿接触状态和Poiseuille流动行为,研究通过微通道壁面微纳结构改变而导致的不同润湿状态起到的滑移减阻效应.结果表明:纳米结构的周期性增加,会使得壁面的亲疏水性呈现马太效应,从而达到润湿性控制的目的.增加壁面亲水性,会使主流区密度、流体速度和滑移速度都减小;在增加壁面疏水性的过程中,主流区的密度增加;并且流体的状态由Wenzel向Cassie转变,流体速度和滑移长度先减小后增加;而亲疏水转变过程中,随着表征接触角的增加,当动静态流体与壁面的接触状态相同时,流体流动的壁面摩擦因数值呈现单调递减趋势;而当动静态流体与壁面的接触状态存在差异时,摩擦因数会出现轻度无规律波动.     

边界滑移对柱塞偶件间油膜流动规律的影响

斜盘式轴向柱塞泵内柱塞偶件间油膜为相对运动的偶件提供润滑及密封作用。油膜流动将直接影响柱塞偶件的工作性能。深入分析偶件间油膜的流动规律对设计与优化柱塞偶件有重要意义。基于Navier-Stokes（N-S）方程,引入Navier边界滑移推导偶件间油膜流动方程,根据柱塞运动的周期性规律,分析单个周期内滑移长度和柱塞泵转速对油膜流动剪应力及流量的影响。研究发现：吸油阶段时近柱塞壁面处油膜剪应力随滑移长度增大而减小,流量随着滑移长度增大而增大,柱塞运动速度最大且滑移长度由1 μm增大到3 μm后,剪应力减小18%,流量增大13.59%;排油阶段柱塞运动速度越大,近柱塞壁面处剪应力和油膜流量与无滑移条件下的差距越小。在滑移长度为1 μm的条件下柱塞泵转速由1 500 r/min增大到4 000 r/min时,近柱塞壁面处的油膜剪应力与无滑移条件下相比降低明显,一个周期内油膜总流量与无滑移条件下相比差距减小。     

斯特林机动力活塞间隙密封动态特性仿真分析*

在自由活塞斯特林机动力活塞间隙密封中,间隙内的气体泄漏会引起工作腔内压力和气体质量的变化,进而影响斯特林机的工作效率。为研究在压缩循环过程中气体泄漏量对压力的动态影响,建立间隙密封长度不变、间隙密封长度单侧变化和间隙密封长度双侧变化3种不同的间隙密封物理模型,采用时间推进法,分析求解不同形式的密封对泄漏量的影响。结果表明：间隙密封在启动阶段时单向泄漏量最大,随着时间的推进,泄漏量逐渐减小后达到稳定,间隙密封长度不变的模型相较于其他2种模型的单向泄漏量最少。基于间隙密封长度不变的模型,分析气膜厚度、背压、密封长度对泄漏量的影响,对气膜间隙和背压进行优化设计。结果表明：气体质量的泄漏随气膜厚度和背压的增加而增加,随活塞长度的增加而减小;当气膜间隙为20~30 μm,活塞长度为10~15 cm,背压在3~5 MPa时,间隙密封泄漏量在3%以内,符合动力活塞间隙密封的设计要求。分析结果为自由活塞斯特林机动力活塞间隙密封提供了设计依据。     

高速高压间隙密封试验台设计方法研究与实践

对高压、高转速旋转条件下的间隙密封特性的试验方法进行理论分析,设计一种可对高压、高转速条件下的黏性流体在微小间隙中泄漏特性进行系统测量的综合性试验平台,并利用该试验平台系统研究密封柱直径、密封柱长度、密封间隙、密封腔压力、转动速度及润滑油黏度的影响。试验结果表明各项参数对泄漏量会产生不同程度的影响,且在不超过规定泄漏量的前提下,间隙密封是一种有效的密封方式,该试验台为高速旋转系统密封方式设计和改进提供了可靠的试验手段与方法。     

含有凹槽结构迷宫密封泄漏性能的数值研究

针对不同结构迷宫密封泄漏特性的问题,通过采用CFD三维分析的方法,研究了直通式和含有矩形和圆形凹槽的迷宫密封在不同压比,间隙,转速下的三维流场和泄漏特性。研究结果表明:含有凹槽的结构能够显著的加快耗散气体动能,进而提高密封效率,降低迷宫密封泄漏量,其中圆形凹槽比矩形凹槽阻止泄漏量更优;随着间隙增大,迷宫密封泄漏均增大,泄漏量和泄漏增长率依次是圆形优于矩形优于直通式;随着进出口压比的增大,泄漏量增加明显,矩形与圆形凹槽增加趋势相近;随着转速的增大,气体在迷宫密封内的湍动能耗散增大,泄漏量有所降低,凹槽迷宫密封内的涡旋充分耗散,泄漏量降低更多,达到极值后趋于稳定。     

衬套结构对篦齿密封封严性能的影响

为提高压气机级间篦齿密封封严性能,设计矩形开槽、梯形开槽、矩形挡环和梯形挡环4种衬套结构,数值研究不同压比和间隙下衬套结构对篦齿密封泄漏特性的影响,并与光滑衬套进行对比。结果表明：随压比增加,流体加速,密封泄漏量均增大,然而设置挡环衬套可直接阻碍壁面射流,其中梯形挡环可以引导射流回冲,加剧齿腔中湍流混乱程度,故泄漏量增速逐渐变缓;间隙相同时,挡环衬套密封效果最好,开槽衬套仅在最佳间隙值时才凸显其封严优势,而挡环衬套随间隙增加封严优势逐步放大。因此,高压比大间隙工况下,挡环衬套封严性能更好,其中梯形挡环更具优势。     

考虑闭合效应的刷式密封泄漏特性研究

采用基于非线性Darcian多孔介质模型的Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程的数值方法研究实验测量的零间隙和具有间隙的刷式密封在不同压比和转速下的泄漏特性,提出针对刷式密封闭合效应的间隙修正公式。考虑闭合效应后具有间隙的刷式密封泄漏量的预测结果与实验数据吻合,验证所建立刷式密封闭合效应修正模型的有效性。研究结果表明:刷丝束顶部与转轴间的间隙导致刷丝束内部压力降低且具有较为明显的径向压差,径向压差的存在导致刷丝束产生闭合效应,进而减小了刷式密封的有效密封间隙;闭合效应使得刷式密封有效间隙随着压比升高而减小,数值计算刷式密封泄漏特性时考虑闭合效应可以显著提高预测精度;在相同压比和转速下,具有间隙的刷式密封的泄漏量明显大于零间隙刷式密封的泄漏量;刷式密封的泄漏量随着压比的增大而增大;在所研究的转速范围内转速对刷式密封的泄漏特性的影响有限。     

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。     

含污染颗粒液压滑阀不同间隙的流场与泄漏研究

针对某型装甲车辆综合传动定压滑阀在污染环境下的配合间隙泄漏问题,建立液压滑阀的二维几何模型,利用Fluent对液压油中含不同体积分数的污染颗粒时,不同配合间隙下液压滑阀的流场进行数值仿真,获得其流场特性与泄漏量变化规律。结果表明:流体流入阀腔时,流速增大、压强变小,并在节流口处产生射流现像,颗粒体积分数在阀口流束与漩涡边缘处较高,在漩涡中心区域较低,且在间隙中心区域较靠近壁面处高;含污染颗粒液压油的泄漏量较不含污染颗粒液压油的泄漏量减少,同一间隙下泄漏量与颗粒体积分数成线性关系,颗粒体积分数增大泄漏量减小;泄漏量随颗粒体积分数增大而减小的速率与间隙的三次方成正比关系。     

燃气机曲折型迷宫密封的泄漏特性

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。     

活塞速度和压差对冲击气缸间隙密封性能的影响

利用FLUENT软件建立冲击气缸往复运动间隙密封的模型并结合实验测试系统对其密封性能进行研究。为控制和减小往复运动中间隙密封的泄漏量,分析活塞往复运动速度、间隙进出口压差对其的影响。结果表明,当密封间隙宽度不变时,冲击气缸往复运动间隙密封的泄漏量随入口压力增大线性增大,并且压差与泄漏量的变化率不受活塞速度变化的影响;当密封间隙宽度不变时,在相同的入口压力下,泄漏量随着活塞速度的增大线性增大;冲击气缸的操作压力变化范围小导致其对泄漏量的直接影响不大,但是不能忽略压力变化通过对速度的影响而引起泄漏量的增大。     

柔片式密封变形分析及密封性能研究

针对柔片式密封系统中柔片变形对密封性能的影响,建立密封区域的流体动力学模型以及基于弹性柔片小挠度弯曲变形的微分方程,并进行ANSYS单向耦合仿真计算,分析不同工况和结构参数对柔片变形和密封性能的影响。结果表明:柔片变形和密封泄漏量随密封压差的增大呈增长趋势;密封压差、柔片尺寸以及背板-柔片间隙对柔片变形和密封泄漏量影响较大;增加背板-转子/柔片间距会使得柔片变形相对初始安装位置呈逐渐上浮趋势,密封泄漏量随之增加。     

凹槽迷宫密封封严特性的数值研究

采用计算流体动力学软件、RNG k-ε模型、Simple算法和结构化网格,研究不同间隙、压比、转速等工况下密封表面凹槽结构对凹槽迷宫密封三维流场和泄漏流动特性的影响。结果表明:凹槽迷宫密封的凹槽结构可以更加充分地耗散气体的动能,从而有效地阻滞气体流动,减小气体的泄漏;迷宫密封的泄漏量随间隙的增大而增大,但凹槽迷宫密封泄漏量和泄漏量增加率都小于普通迷宫密封;随着压比的增大,凹槽迷宫密封的泄漏量有所增加,但相比于普通迷宫密封,其泄漏量增加的趋势在逐渐减小;随着转速的增加,凹槽迷宫密封更容易在凹槽内形成气旋效应,从而使其封严性能显著提高。     

基于FLUENT的迷宫密封机理研究

针对影响迷宫密封泄漏特性的三个因素:间隙宽度、齿型夹角以及空腔深宽比,计算了不同结构的内部流场,探讨了各因素对泄漏特性的影响,分析了密封机理。结果表明:迷宫密封的泄漏量随间隙的增大而增大,并得到满足泄漏量条件的最大间隙宽度cmax≈0.57mm;在一定深宽比下,存在最佳齿型角度,随着压比的增加,最佳齿型角度的影响加大;空腔深度和空腔宽度之间存在最佳匹配关系,且空腔深宽比不随间隙宽度的变化而变化。     

可变间隙密封液压缸异质环结构活塞形变研究

间隙密封液压缸因响应速度快受到了广泛青睐,其最大的缺点是泄漏量较大。结合可变间隙密封液压缸原理设计了一种新型的异质环结构,利用活塞基体材料和异质环的材料弹性变形差异产生的径向变形凸起结构提升间隙密封液压缸密封性能。建立环形异质材料结构引起活塞弹性形变的数学模型,并对活塞-异质环模型进行数值仿真。基于等效夹杂原理(EIM)对异质环不同结构参数、分布参数和材料特性下的活塞径向形变量进行计算。结果表明,软质环形结构能使活塞表面产生凸起状变形,硬质材料的环形结构能使活塞表面产生凹陷变形;异质环的长度、厚度等参数能改变活塞径向的最大变形量和最大形变所在的位置;随着异质环埋布深度的增加,活塞的最大变形量会逐渐减小。合理设置异质环的结构和分布参数以及材料特性,能有效减小间隙密封液压缸活塞-缸筒间隙的大小,从而降低泄漏量。     

斯特林发动机气缸与活塞间隙密封的泄漏量分析

斯特林发动机的密封关键是气缸与活塞的间隙密封,能否有效地将其密封直接影响了斯特林发动机的性能与可靠性。斯特林发动机采用间隙密封,可以在完成密封作用的同时消除接触磨损和因此而产生的污染,但由于间隙内气体的泄漏,引起了工质的损失。建立了层流工况下斯特林发动机气缸与活塞间隙密封的数学物理模型,推导了密封间隙的泄漏量。再考虑由于实际工况和位置偏心引起的密封间隙的泄漏量,最后与理想条件下的泄漏量进行比较,得出结论:实际工况和位置偏心引起的密封间隙的泄漏量较理想状态下泄漏量大。     

反旋流对密封静力与动力特性影响的理论与试验研究

设计加工无/有反旋流共4种密封结构,从理论与实验两个方面研究反旋流对密封静力与动力特性的影响规律。建立反旋流密封静力特性CFD模型,理论分析反旋流对密封间隙流体切向速度、周向压力分布以及泄漏特性的影响;设计搭建反旋流密封动力特性试验台,试验测试无/有反旋流密封的泄漏特性,应用不平衡同频激励法试验研究反旋流对密封动力特性的影响。研究结果表明:反旋流可减小密封间隙流体的切向速度,进而降低密封间隙流体的周向压力差,且密封间隙流体周向压差随切向速度的减小而降低,这是反旋流抑制密封气流激振力的主要原因;密封的泄漏量随进出口压比的增加而增大,两者近似呈线性关系;与无反旋流密封相比,反旋流密封增加了密封的泄漏量,且随着进出口压比的增加,两者泄漏量差异增大;密封的动力特性系数的随密封进出口压比与转速的增加而增大。在相同工况下,主刚度大于交叉刚度约一个数量级,主阻尼与交叉阻尼数量级相同,且主阻尼大于交叉阻尼;反旋流可有效降低密封的等效刚度,增加密封的等效阻尼,提高密封的稳定性。     

涡旋压缩机的径向迷宫密封研究*

针对涡旋压缩机径向密封难以实现的难题,提出一种径向迷宫密封。用几何学和热力学方法证明基圆渐开线型涡旋压缩机径向光滑间隙密封中的泄漏气速达到声速,分析径向光滑间隙密封中泄漏气体的热力变化过程,根据临界截面上气体的气动热力特性,推导出考虑边界层摩擦损失的径向光滑间隙密封泄漏量的算法,根据能量方程和连续性方程,推导出判定径向迷宫密封中泄漏气速是否达到声速的判别式和径向迷宫密封泄漏量的算法。计算和实测两种密封在一系列相邻压缩腔压差对应下的泄漏量。理论计算和试验对比表明,给出的两种密封泄漏量的算法正确;径向光滑间隙密封和径向迷宫密封的泄漏量均随着相邻压缩腔压差的增大而增大;径向迷宫密封的直通效应随着相邻压缩腔压差的增大而更加明显;径向迷宫密封泄漏量实测值约为径向光滑间隙密封泄漏量实测值的79%,说明径向迷宫密封的密封性能优于径向光滑间隙密封的密封性能。     

可调压可视化微间隙Couette流变仪的研究及应用

采用精密的机械加工和独特的气动旋转密封技术,研制出可调压可视化微间隙Couette流变仪。外圆筒旋转内圆筒静止的特点,使该流变仪能产生剪切速率高达105/s数量级稳定的纯剪切流。利用商业旋转流变仪,测量试验用中、低粘度硅油在低剪切速率和不同温度下的粘度,应用粘温关系,推算出高剪切速率下粘性热使粘度下降的量,其值与微间隙Couette流变仪的测量结果较为吻合。在一定的切应力下,观察到淡水和中低粘度硅油在微间隙中发生剪切空化的现象,发现剪切空化的发生还强烈依赖于流体中气体的相对溶解量。     

低滞后刷式密封泄漏流动数值模拟及结构优化

基于多孔介质模型,采用计算流体力学软件Fluent对常规、低滞后矩形及翼型3种刷式密封泄漏流动特性进行数值模拟,结果表明:相比于常规刷式密封,矩形刷式密封迟滞性并没有得到改善,翼型刷式密封在降低迟滞性的同时泄漏量却大大增加。为改进低滞后刷式密封的性能,提出背板轴向间隙的概念,并研究背板轴向间隙对低滞后刷式密封泄漏流动特性的影响,结果表明:在前后压比一定的条件下,泄漏量与轴向间隙成正比,而泄漏增加量与轴向间隙成反比,且均在轴向间隙较小时变化较明显;相较于矩形刷式密封,轴向间隙密封随着轴向间隙的增大,背板处压力值除在保护高度区域内略有提高外,在其他区域均明显下降,且轴向间隙由0增大到0.1 mm时的压力下降效果最明显。