改良T型槽干气密封多参数CFD数值分析

借助高性能工作站计算机,在改良槽型确定的基础上,对T型槽干气密封多参数进行系统性仿真分析,类比分析100余组实验结果。在相关参数固定情况下,得出各个参数对密封开启力及泄漏量的影响规律;然后,采用相对变化率累加计量方式得出几何参数、操作参数对密封性能的影响权重及其与密封性能参数的相互关系;最后,通过将仿真结果导入Matlab中,得到密封间隙内流场三维动压和静压。研究结果表明:所得到的密封间隙内流场三维动压和静压实现了密封压力分布直观三维显示,动、静压力对外压和转速的良好响应揭示了干气密封对高压高速工况具有良好的适应性。     

非完整液膜上游泵送密封特性分析

针对密封端面动压槽数量较少或低速低压密封运转过程,上游泵送密封端面处于非开启状态,提出一种能有效润滑密封表面并减少泄漏量的非完整液膜上游泵送密封。利用Fluent流场分析软件,建立了非完整液膜上游泵送密封模型,对比分析了非完整液膜上游泵送密封和接触式机械密封的液膜承载能力和端面润滑特性;研究了在不同工况和动压槽深度情况下,非完整液膜上游泵送密封的液膜承载能力和动压开启效果的变化规律。结果表明:非完整液膜上游泵送密封的液膜承载能力随着工作压力和转速的增加而增加,动压开启效果随着工作压力的增大而减小,转速的增加而增加;液膜承载能力和动压开启效果随着膜厚的增加而减小。     

泵出型螺旋槽机械密封端面间隙气液两相流动数值分析

针对泵出型螺旋槽气膜密封由于阻塞气压力降低,被密封液相介质进入密封间隙的情况,以密封端面间隙流体膜为研究对象,利用Fluent软件VOF模型模拟阻塞气压力恢复到正常值时端面间隙的流动状况。此时流体膜处于气液两相非稳定流动状态,研究密封端面间气液两相介质分布、压力分布及密封性能随时间的变化规律。结果表明:在假设条件下,内径处阻塞气压力恢复到正常值,流体膜能够恢复成纯气相流体膜;液相介质能增强流体动压效应,增大气相介质流动阻力,降低泵送量;气液两相掺混,改变了气液两相分布、压力分布、泵送量等密封性能,增大了流体膜恢复成纯气相的难度,且在液相介质进入螺旋槽状况下,流动过程中少量液相介质在内径处发生泄漏。     

基于空化的机械密封槽腔耦合方式研究

为了研究机械密封端面槽腔耦合造型对性能的影响,以获得最佳槽腔耦合方式,建立了4个不同槽腔耦合方案和1个无开腔上游泵送密封方案的物理模型和计算模型,利用Fluent空化模型进行内流场计算和分析,并进行试验验证.研究表明:不是任意的槽腔耦合方式都能增强密封环的开启性和稳定性,对于所研究的密封结构和尺寸,相比于未加工微凹腔的上游泵送机械密封环,只有将微凹腔开设在动环坝区时才能够增强密封环的开启性和稳定性,且具有较低的摩擦力;转速越高,合理的槽腔耦合机械密封增强开启性和稳定性的优势越明显.     

大型轴流泵空化特性的数值模拟

为了研究大型立式轴流泵内部的空化特性问题,选取幸福泵站中叶轮直径为2.80m的机组作为研究对象,分别进行了试验研究和数值模拟,计算结果与试验结果相吻合,验证了数值模拟的准确性,得到该泵的汽蚀余量为4.86m,临界空化压力为48.50kPa。模拟结果表明:在泵的进口压力从47.00kPa下降到42.00kPa的过程中,空化持续长度从0.24迅速变化到1,空化迅速扩散至整个叶片;当流量大于设计值时,空化只发生在工作面靠近叶片进口边处,而当流量小于设计工况时,空化主要发生在叶片吸力面,且当液流角β′1小于翼型最大厚度处斜率所对应的角度α时,叶片吸力面形成1个空化区域,当β′1大于α时,叶片吸力面将会形成2个空化区域;当大型轴流泵发生空化时,增大进口压力至临界空化压力以上可以有效消除内部空化现象;通过调整运行流量至设计流量附近,可以有效减弱泵内部的空化程度。     

云状空化流动数值模拟的空化模型评价

为深入了解空化模型对云状空化流动计算的影响,分别采用Kubota,Singhal,Merkle,Kunz四种不同的空化模型对绕水翼的云状空化流动进行了数值模拟,获得了空穴形态和升、阻力等流场动力随时间的变化特性. 通过与实验结果的对比表明,这四种空化模型均可以准确地捕捉云状空化区域的空穴形态和空泡脱落的非定常细节;不同空化模型对计算所得的空穴形态和长度、绕翼型速度矢量场、升阻力均有影响, 但对流场动力特性的主要频谱分布影响不大.     

箭型排布的矩形微槽平板上液膜流动特性

光滑平板降膜受表面张力和接触角的影响易收缩成溪流,导致传热表面出现干斑,为解决这一问题,提出箭型排布的矩形微槽平板。通过可靠的computational fluid dynamics（CFD）计算模拟两相流理论,建立三维非稳态平板降膜数学模型,研究了箭型排布的矩形微槽平板上的液膜流动特性,并探究了微槽宽度、深度及箭型夹角对液膜在平板上铺展效果的影响。结果表明：箭型排布的矩形微槽可有效增大液膜在平板横向的铺展面积,使液膜润湿面积增大,减少平板表面干斑;在120°箭型结构下,矩形微槽最优参数为宽0.5 mm,深0.3 mm,此时可将比湿面积由光板表面的62%~89%提高到84%~94%;低雷诺数时,120°箭型结构对液膜横向铺展引导效果显著,雷诺数增大时,90°箭型结构引导效果更好。     

考虑液膜破裂的液膜传质数学模型

提出了考虑液膜破裂因素的液膜渐近前沿模型和空间心球壳膜型。实验证明，该模型更能与实验数据相吻合，据此求出了最佳操作时间，其中渐近前沿模型比球壳型更佳。但空心球壳模型数学处理简单，在工程上具有估算价值。     

水平管外降膜流动液膜厚度数值模拟

建立了水平管外液体降膜流动过程的物理数学模型并对其进行了数值模拟研究,将模拟结果与文献中的理论值和实验值做了比较,变化趋势吻合较好.通过计算不同雷诺数下沿管壁周向的液膜厚度及液膜分布情况,分析了结构和流动参数对液膜厚度与分布的影响规律.结果表明:液膜厚度随雷诺数的增大而增大;当雷诺数一定时,管壁周向液膜厚度呈先减小后增大趋势并随管间距的增大而减小,并且随着雷诺数的增大,管壁周向液膜波动增大且易出现"干区".     

螺旋槽端面干气密封的参数研究

螺旋槽干气密封试验分析了干气密封螺旋槽几何参数对开启力、功耗、泄漏率和气膜刚度的影响,并通过理论计算对试验数据给予了验证.理论计算和试验结果的对比表明了试验数据的可靠性.整体来讲,在其他参数固定的条件下,槽深比、螺旋角对密封性能的影响较为突出,而槽数、密封坝宽度比、槽台宽比、压力比对密封性能的影响相对较弱.最后给出密封结构和试验条件下的最优几何参数取值范围(12＜Ng＜18,14°＜β＜16°,0.4＜αg＜0.6,0.3＜l＜0.5,1.6＜δ＜1.8,10＜Pr＜20).     

O形密封圈沟槽底角对密封性能的影响

基于三重非线性理论,运用ANSYS Workbench软件,研究O形密封圈沟槽底角对密封性能的影响。在沟槽底角a分别取80°、90°和100°的条件下,仿真分析了介质压力和摩擦系数变化时O形圈的Von Mises应力和接触压力分布情况,以此为O形圈密封性能的判定依据。结果表明,在一定的初始压缩率(ε=15%)和摩擦系数(f=0.1)条件下,沟槽底角不同时O形密封圈的最大Von Mises应力和最大接触压力都随着介质压力的升高而增大,其中a=80°和a=100°时的Von Mises应力变化基本相同,且始终大于a=90°时的对应值;与其他两种沟槽底角相比,a=100°时O形圈主密封面上的最大接触压力较大,密封性能更好;在一定介质压力下,沟槽底角不同时O形密封圈在3个密封面上的最大接触压力都随着摩擦系数的增大而先降后升,但始终大于介质压力,从而可以确保其密封性能良好。     

基于二阶滑移边界的螺旋槽干气密封协调优化

应用二阶非线性滑移边界条件推导出修正的广义雷诺方程,并用PH线性化方法、迭代法对非线性雷诺方程近似求解,得到气膜推力和气膜刚度的近似解析式。利用多目标优化方法构建气膜刚度与泄漏量之比的协调函数,对该目标函数进行近似求解,获得最佳的螺旋槽几何参数值。利用Maple程序计算不同介质压力和转速下的气膜刚度、泄漏量并与试验值进行对比。结果表明,几何参数优化的干气密封样机测试结果与理论计算结果误差较小,运用二阶非线性滑移边界条件计算出的理论值具有较好的精度。     

热弹变形下螺旋槽干气密封泄漏量的计算与分析

螺旋槽干气密封在高速旋转时内部会产生一定量的热,导致密封环发生热弹变形,从而对密封性能产生影响.在速度滑移边界条件下,求出螺旋槽内的气膜压力和气膜速度,推导出气膜的能量方程,进而利用气膜的压力、速度和能量方程,通过Maple和Matlab软件求解槽内气膜的温度分布.然后由热弹变形理论,求解出密封环的变形量,获得螺旋槽内气膜厚度的解析式.利用广义雷诺方程求出理论泄漏量,并与泄漏量的实验值进行比较.研究结果表明:随着气体从外径流入内径,槽内温度的分布规律是先升高后降低,槽根部周围温度较高;热弹变形量与温度变化的规律一致,而气膜厚度的变化趋势与之相反;干气密封中的泄漏量随变形量增大而增大,有变形量的泄漏量更接近于实验值.     

螺蜷天线特性的数值分析

利用基于RWG(rao-wilton-glisson)基函数的矩量法求平面螺蜷天线和圆锥螺蜷天线表面电流,并进一步计算出天线的输入阻抗、方向性、增益、辐射功率、空间电场大小。分析结果显示这两种天线的输入阻抗值约为自互补结构天线的输入阻抗的理论值(满足巴比涅原理),即空间本征阻抗1/2,188.5Ω;方向性、增益和辐射功率大小在这一频带内也比较稳定。在高斯微分脉冲激励下,结合傅立叶反变换方法得到时域的辐射脉冲电场波形,从波形可知螺蜷天线用作脉冲辐射天线时,辐射电场波形具有高斯二次微分特性。     

具有周向贯通槽的螺旋槽干气密封的数值模拟

为研究具有周向贯通槽的螺旋槽干气密封的工作机理,运用Fluent软件对螺旋槽干气密封模型上加开周向贯通槽的端面流场进行了数值模拟分析,同时对比分析了运动参数对单开螺旋槽和加开周向贯通槽两者的影响。结果表明:加开周向贯通槽的螺旋槽干气密封具有更小的泄漏量,较大的开启力,端面压力周向分布均匀,对动、静环端面稳定地非接触运行起到重要的作用,保证了密封工作的稳定性。经数值模拟分析,周向贯通槽槽形几何参数最佳取值范围槽宽为2.0～3.0μm,深度为2.0～4.0μm。     

双液滴同时垂直撞击液膜数值研究

应用数值法对双液滴垂直撞击液膜的动力学行为进行研究.采用VOF法结合网格局部瞬时加密技术捕捉气液两相界面.主要讨论了液滴韦伯数和液滴间距对碰撞演化过程和飞溅特性的影响,给出演化过程中包括二次液滴数量及尺寸等特性参数的变化规律.结果表明,双液滴撞击液膜,除了会生成皇冠形水花外,还会出现水花相撞形成的中心射流.在研究范围内,中心射流产生的二次液滴尺寸比皇冠形水花处生成的液滴尺寸小,中心射流破碎较早,所以二次液滴平均尺寸初始阶段增长较快,后期变化较慢,近似呈现线性增长.     

等离子体窗密封性能实验研究

等离子体窗具有高真空密封性和良好的束流通过性,在电子束焊接、加速器等领域有很大的应用前景. 针对传统等离子体窗应用孔径小的问题,本文在优化的三阴极源基础上研究了通道直径为7 mm和8 mm等离子体窗的密封特性,以及Ar、He、H2三种等离子窗压降系数随输入电流和气流量的变化关系. 结果显示,在输入电流120~210 A、气流量1000~5000 sccm范围内,Ar等离子体窗的压降系数随输入电流、气流量的增加呈先上升后下降的变化趋势,He、H2等离子体窗的压降系数随输入电流的增加逐渐上升,但随着气流量的增加,He等离子体窗的压降系数先上升后下降,H2等离子体窗的压降系数逐渐下降. 本实验获得的等离子体窗最大压降系数为2550,可隔绝的最大高压为1 atm,与已报道文献相比具备较好的竞争优势,展现了良好的密封性,在未来加速器等领域有很大的应用潜力.     

螺旋槽上游泵送机械密封有限元数值计算

研究了螺旋槽上游泵送机械密封的工作机理 ,分析了该密封端面间的液体运动规律并建立了用于计算机械密封端面内液体二元流动的雷诺方程。用有限元数值计算的方法得出了一定条件下螺旋槽上游泵送机械密封端面间液体的压力分布、开启力及上游泵送量等。计算结果表明 ,螺旋槽上游泵送机械密封端面液膜内的压力分布呈三维凸形曲面 ,该密封具有明显的流体动压效应 ,低压侧的流体向上游泵送到槽底直径处压力增至最大值。该密封稳定性较好 ,理论上能实现零泄漏