微流道界面剪切对液膜密封空化流场特性的影响研究

针对高转速下液膜密封空化区界面发生强烈波动导致密封失稳的问题,为寻找波动抑制方法,考察了微流道槽底面剪切条件对液膜空化流场特性的影响。选用Schnerr-Sauer空化模型,运用Laminar和转捩SST模型,对比研究了不同转速槽底面无滑移和无剪切条件下的开启力F_o、泄漏率Q、空化占比和空化区速度分布规律。结果表明：流动模型的选择(Laminar和转捩SST模型)对F_o和Q的影响可以忽略,但对空化影响十分显著;液膜空化泡在膜厚方向呈不规则曲面状,在槽区膜厚中部位置的轴截面空化面积占比最大,无滑移时向非开槽端面单侧减小,无剪切时向密封端面双侧减小;可分开判定非槽区和槽区流态,非槽区始终为层流,槽区在11 300 r/min以下为层流,高于11 300 r/min为转捩流,若存在局部区域流动因子9/16<ζ<1或有空化发生,均应采用转捩SST模型;槽底面进行超滑水改性,可显著提高F_o(15 000 r/min时提高51.6%),降低Q(1 000 r/min时降低2.8%),有效降低空化率(15000r/min时...     

旋转流场流态预测模型验证及其速度分量选择的差异性

鉴于目前高速旋流场中的流体流态判定准则不统一、预测模型契合度不高的问题,依据流体力学基本原理及管道、缝隙流场的判定方法,本文对经典一维雷诺数及二维流量因子预测模型进行了理论重构,并尝试提出了适用于旋转流场中流体流态判定和预测的椭球模型。文章首先根据经典雷诺数模型和流动因子模型,对仿真计算和椭球模型进行了理论验证;然后对不同介质和工况参数下的速度场进行了分析计算,并与相关文献进行对比研究;最后结合对旋转流场中拐点的理论剖析,对椭球模型的合理性和科学性进行了论证,并对模型中速度分量的选择及差异性进行了讨论。结果表明：椭球模型对管道流动的预测结果与经典雷诺数模型完全一致,新模型对旋转流场中转折点的预测值较传统模型明显偏低,与实际工况更加贴近;根据椭球模型进行旋转流场的流态判定时,应选择平均直径处的线速度为剪切平均速度、进出口径向速度平均值为径向平均速度及最大轴向速度为模型输入因子。椭球模型的提出,为旋转流场在理论计算时如何科学判定流体流态提供了新的思路和判定方法。     

界面极限滑移条件下的液膜密封流场平均速度分布规律

为研究液膜密封流场平均速度分布规律,及其与流-固界面剪切应力之间的关系,基于Couette流动模型建立存在边界速度滑移时的密封间隙流场速度计算模型,采用Mixture均相模型和Schnerr-Sauer空化模型,通过数值模拟考察界面无滑移(滑移速度为0)和无剪切(滑移速度最大)2种极限情况下不同转速时液膜轴向不同位置处的微流场径向、切向和轴向速度分布,并建立流体型槽界面剪切力-速度拟合模型。研究结果显示：液膜的切向速度远大于径向和轴向速度,三维合成速度分布规律主要由切向速度决定;流场在槽区内近台阶轴向1μm范围内压力梯度发生突变,但非槽区和槽区流场相对独立,非槽区可视为简单Couette流动,槽区为逆压梯度Couette流动;流-固界面粘附剪切应力的大小与液膜边界速度滑移密切相关,槽区界面剪切应力变小时,边界滑移速度和槽内外流场各方向速度均变大,且转速越高,数值越大;在不高于10 000 r/min时,空化效应对整体平均速度场的影响较小,但速度更高时,需量化空化效应,并对剪切应力-速度拟合模型进行修正。