接触式机械密封已有的泄漏通道的模型多是折算成一股通道,或是引入扰流子计算泄漏率。考虑到密封界面间泄漏通道的尺寸一般在微米量级,流体在其间运动属于微流动,表面润湿性、表面张力等在宏观流动中一些被忽略的因素开始发挥重要作用。通过检索国内外文献及专利,发现已有的理论和模型中都没有考虑表面润湿性的影响,这是当下关于接触式机械密封泄漏研究中一个新的课题方向。为此,本文以接触式机械密封为研究对象,采集真实的密封环端面形貌点云数据,以此建立密封端面间微通道多孔介质模型;利用格子Boltzmann模型中的Shan-Chen模型改变固液之间的吸附力,构建不同表面润湿性的泄漏微通道,模拟流体在其中的流动特性,揭示表面润湿性对泄漏的抑制机理,主要研究内容和结论如下:(1)运用激光共聚焦显微镜对动、静环表面进行断层扫描,基于多孔介质理论,建立密封界面间二维多孔介质模型;采集静环表面的三维形貌点云数据,使用逆向工程技术,重建了静环表面真实的粗糙形貌,并将动环表面简化为刚性光滑平面,建立动、静环接触模型。(2)研究并建立了载荷与密封界面间孔隙率的关系。对动、静环接触模型进行有限元仿真,在动环上表面施加压力,并计算孔隙率随端面比压的变化规律。结果表明,随着端面比压增大,密封界面间的孔隙率不断减小,当端面比压超过0.36MPa,孔隙率平稳在0.42%左右。(3)通过实验进行动、静环表面润湿性的研究。考察在不同工作时间、表面位置、端面载荷下静环表面粗糙度和表面接触角的变化,并进一步探究机械密封表面形貌的磨损程度与其表面润湿性的关系。结果表明,对于静环表面,未磨损时材料表面接触角约90°～110°;在相同实验条件下,静环内径至外径处接触角依次增大;材料表面磨损越严重,壁面接触角越大;载荷越大,对密封端面形貌影响越剧烈,该形貌下对应的平面静态接触角越大。相对于载荷改变而引起的接触角改变,径向位置对润湿性的影响更加明显。(4)揭示了本文采用的格子Boltzmann理论中的速度离散模型、平衡态分布函数和粒子演化机制。通过Shan-Chen多相流模型改变固体壁面对流体的吸附力,模拟了液滴在不同润湿性固体表面的铺展形态,验证了Shan-Chen模型在模拟表面润湿性方面的适用性。(5)基于建立的密封界面间二维多孔介质模型,数值模拟不同表面润湿性的微通道,分析流体在不同润湿性微通道内的流动特性。研究发现,壁面由亲水性变成疏水性,微通道出口处的流速变大,微通道内流出的流体质量流量增加,且壁面越疏水,减阻效果越明显,可以预测,接触式机械密封泄漏微通道的润湿性对泄漏量有显著的影响,微通道壁面疏水性越强,机械密封泄漏量越大。本文旨在探究表面润湿性改变的减阻增漏或增阻减漏规律和机理,为接触式机械密封延长使用寿命提供理论基础。通过该项目的研究,可使接触式机械密封在原理设计、结构设计以及工程应用等方面形成一个综合性的创新思路,同时衍生出泄漏预测和调控技术,极大地推进接触式机械密封的发展,具有重要的应用前景和重大的理论价值。