机械密封作为一种常用的密封装置,被广泛应用于矿产、石油、化工、航天、核电等工业领域,非接触式机械密封以其优良的性能成为旋转式流体机械的首选轴端密封。波度端面（Wavy-Tilt-Dam,简称WTD）机械密封是非接触式机械密封的一种,具有泄漏率低,磨损小等优点,在核电站主泵轴密封中得到了广泛应用,但是由于密封环高硬度的材料要求、复杂的面型要求以及高精度的加工要求,使其精密加工困难,因此本文基于收敛型槽具有较低的泄漏量和较高的流体静压效应,提出一种由波度端面机械密封结构衍生变化的阶梯收敛槽机械密封结构,该槽型在平面方向和厚度方向上均呈现收敛间隙。建立了计算域液膜的三维几何模型,并划分结构化网格。考虑液膜空化现象,采用CFD对密封间隙润滑液膜进行数值模拟,通过液膜压力分布分析液膜的流动特性,结合液膜相态分布,分析该密封液膜空化现象产生的机理。针对不同的工况条件和结构参数,对液膜空化效应进行参数化分析,研究了液膜厚度、主轴转速、密封压力和静环开槽深度对液膜空化的影响,结果表明:液膜空化效应主要受流体粘性剪切效应的影响,随着膜厚增大,液膜空化效应减弱;随着转速增大,液膜空化效应变强;随着密封压力增大,液膜空化效应减弱;随着槽深增大,液膜空化效应减弱。对密封性能进行参数化分析,考虑液膜空化效应,研究工况条件和结构参数对密封性能的影响,结果表明:随着槽深、槽数、槽区开口及密封压力的增大,液膜承载力和泄漏量都增大;随着转速的增加,承载力增大,泄漏量减小;随着膜厚的增加,承载力减小,泄漏量增大。在小膜厚,高转速及较低密封压力的工况条件下,更容易产生液膜空化现象,流体泄漏量降低;较小的槽深会增强流体剪切作用,空化效应增强,泄漏量降低,实现减小泄漏的目的。耦合求解流动场和温度场,获得液膜温度分布,研究了温度变化规律,参数化分析液膜厚度、转速及密封压力等工况参数对液膜温度场的影响,结果表明:随着液膜厚度增大,液膜最高温度逐渐减小;随着转速增大,液膜最高温度增大;随着密封压力增大,液膜最高温度增大,但是密封压力对液膜温度的影响非常小,其工作压力应主要依据密封性能而确定。