刷式密封是用于克服篦齿密封不足而出现的一种新型密封结构,由刷丝束、前挡板、后挡板和转轴组成。刷丝束含有金属材质,柔韧性、延展性高,可以允许转轴在径向产生变形和跳动,与篦齿密封相比磨损量小、泄漏量低,具有一定的研究价值。目前,刷式密封在泄漏与传热研究中还存在很大问题,尤其是考虑刷丝磨损条件下的泄漏和传热数值计算方面,以及结构参数优化方面。针对刷式密封泄漏与传热及优化方面的不足,本文建立了多孔介质模型和优化模型从而开展了刷式密封的研究。首先根据流体在刷丝束中的流动状态,建立了考虑磨损的泄漏与传热的多孔介质模型,结合刷式密封的结构特点、磨损过程中刷丝的变化情况求解确定了考虑磨损的过盈量,并对模型中的关键参数逐个确定;其次进行了算例设计,展开了刷式密封泄漏与传热的数值模拟计算,分析了不同工况条件下计算域内泄漏气体的流动分布状态,以及不同结构、工况参数下气体泄漏量和最高温度随时间的变化规律。最后考虑到刷式密封的密封质量受到泄漏和传热等方面的制约,本文提出了基于近似模型的刷式密封的结构优化方法。优化过程中首先根据刷式密封的设计要求确定了优化目标、优化变量和约束条件并基于优化目标、优化变量和约束条件的选择建立了刷式密封的优化模型;其次基于实验设计方法中的正交实验法设计正交表确定初始样本点,构建近似模型来建立优化变量和优化目标之间的关系并对近似模型的精度进行验证,若近似模型的精度满足要求,则选择合适的优化算法对近似模型进行优化,从而得到一组满足优化目标的刷式密封的结构参数。反之,需要重新构建近似模型。计算结果显示:泄漏气体压力的剧烈变化主要发生在刷丝束部分,距离转轴表面越近,刷丝束部分的径向和轴向压力变化越明显;磨损初期泄漏量随时间逐渐上升,随着时间的不断增加泄漏量变化缓慢最终趋于平稳状态;磨损初期最高温度随时间逐渐下降,最终随着时间的增加也趋于平稳状态。