机械密封腔内流场及摩擦副温度场性能研究

论文摘要

随着工业的高速发展,高温、高压、高速的工作状况使机械密封摩擦副端面温升过高,易造成密封环的非正常磨损、热裂、变形及端面间液膜汽化等问题,导致密封迅速失效。因此,对摩擦副温度场的研究非常重要。然而密封腔内流体的流动与密封环传热密切相关,所以研究时应同时计算密封腔内流场和摩擦副温度场,找出相互影响规律。本文应用计算流体力学软件（CFD）对密封腔内流场及摩擦副温度场进行了数值计算,选取整个密封腔内及摩擦副端面间隙内的流体为研究对象,通过求解三维N-S方程,得到整个密封腔的流场,具体分析了流体从进入密封腔到抵达摩擦副端面间隙的整个流动过程,得到了腔内流体的压力分布、速度矢量分布、质点轨迹、涡量分布等;然后求解能量方程,得到了密封腔和摩擦副端面温度分布以及端面温升的影响因素。文章还对比分析了接触式机械密封与螺旋槽机械密封的端面温度分布及温升影响因素。本文对密封腔及摩擦副端面间隙内流体同时建立三维模型,网格划分实现了从宏观尺度到微观尺度的过渡,并借助商用软件成熟的可视化功能,对整个密封腔内流体的流动与传热进行模拟,效果直观,便于观察流动的形成与发展以及传热过程,找出端面温升的主要影响因素,为密封结构及性能的优化设计提供依据,为后续密封环的变形计算奠定基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 第二章 文献综述
• 2.1 机械密封简介
• 2.2 机械密封流场与温度场的研究现状
• 2.2.1 国外研究现状
• 2.2.2 国内研究现状
• 2.3 研究现状总结
• 第三章 机械密封流动与传热理论及计算方法
• 3.1 机械密封的密封机理
• 3.2 机械密封流动与传热理论
• 3.2.1 物理模型
• 3.2.2 流体动力学基本方程
• 3.3 机械密封的数值求解
• 3.3.1 计算区域的离散
• 3.3.2 控制方程基于有限容积法的离散化
• 3.3.3 边界条件
• 3.3.4 离散方程的求解
• 3.3.5 误差分析
• 3.4 计算流体力学软件程序结构及性能
• 3.5 本章小结
• 第四章 机械密封腔内流场计算
• 4.1 机械密封腔内流场模型
• 4.2 机械密封腔内流体流动状态判断
• 4.3 机械密封腔内流场的数值计算
• 4.3.1 模型建立
• 4.3.2 网格划分
• 4.3.3 边界条件
• 4.3.4 解算器的设置
• 4.4 流场计算结果分析
• 4.4.1 压力分布
• 4.4.2 速度分布
• 4.4.3 流体质点分布
• 4.4.4 影响端面流体流动的主要因素
• 4.5 密封性能分析
• 4.5.1 泵送量
• 4.5.2 摩擦力
• 4.6 本章小结
• 第五章 接触式机械密封温度场计算
• 5.1 机械密封的热量平衡
• 5.2 机械密封温度场的求解
• 5.2.1 能量方程
• 5.2.2 热边界条件
• 5.2.3 对流传热系数的计算
• 5.3 模型建立
• 5.4 边界条件
• 5.5 材料及介质物性
• 5.6 温度场计算结果分析
• 5.6.1 温度分布
• 5.6.2 温度场的影响因素分析
• 5.7 本章小结
• 第六章 螺旋槽机械密封温度场计算
• 6.1 螺旋槽机械密封模型及相关参数
• 6.2 螺旋槽机械密封传热及热边界条件计算
• 6.3 模型建立及边界设置
• 6.4 温度场计算结果分析
• 6.4.1 螺旋槽机械密封与接触式机械密封端面温度分布对比
• 6.4.2 介质压力对密封端面温升的影响
• 6.4.3 介质流量对密封端面温升的影响
• 6.4.4 转速对密封端面温升的影响
• 6.4.5 密封材料对密封端面温度场的影响
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢