【摘 要】
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对于介质为液体的机械端面密封,受密封环端面形貌的影响,在密封间隙局部会产生低压区,当压力低于工作温度下液体的饱和蒸汽压时,液体将发生汽化,形成气泡,即发生了空化。为了分析密
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对于介质为液体的机械端面密封,受密封环端面形貌的影响,在密封间隙局部会产生低压区,当压力低于工作温度下液体的饱和蒸汽压时,液体将发生汽化,形成气泡,即发生了空化。为了分析密封的性能,必须考虑可能出现的空化现象。对此,本课题提出了考虑空化效应的自由网格有限元算法,能够适应任意端面构型的机械端面密封的计算,并给出一种非常规的有限元推导过程,能够直接获得求解域边界的流量,特别适合机械密封的性能分析计算。该算法被证明高效稳定,具有较高的可靠性,且推导过程严谨清晰,利于进一步扩展。同时,基于MATLAB开发了一整套求解计算的程序,给出了完整的实现过程。该程序被证明具有适用性强、求解效率高等优点。程序采用模块化设计,便于进行二次开发,预置了5种密封端面结构以及2种边界条件的求解模块,引入了COMSOL Multiphysics软件,通过API调用能够实现多种功能,利于该程序向“流-固-热”耦合分析进行扩展。对比了两种空化边界条件的计算,得知对于空化程度较高的模型,JFO边界条件的计算结果的可信度明显高于雷诺边界。而且预置的JFO边界条件的计算模块求解效率很高,求解时间甚至小于雷诺边界条件,从而使JFO边界条件能够得到更广泛的应用。另外,提出了一种新的斜直线槽密封结构,利用计算程序进行了性能分析。进一步的,设计了一套全新的特殊的密封实验台,采用开放式设计,并采用透明材料制作其中一个密封环,因此能够对密封间隙内的流体进行直接观测,并且能够测量相关的性能参数。实验证明斜直线槽密封在实验的工况下发生了明显的空化现象,空泡形状与JFO边界条件的计算结果十分吻合,显示出JFO边界条件的优势及必要性。
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