机械密封空化效应的数值计算方法与实验研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 机械密封概述
• 1.1.1 机械密封的应用背景
• 1.1.2 机械密封的基本结构
• 1.1.3 非接触式机械密封的基本原理
• 1.1.4 空化的发生及对密封的影响
• 1.2 课题背景及意义
• 1.3 国内外研究情况
• 1.3.1 雷诺方程及空化边界条件
• 1.3.2 空化边界条件的数值计算方法
• 1.3.3 机械密封中的空化问题
• 1.4 课题研究内容及方法
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究方法
• 第2章 空化条件下求解雷诺方程的有限元方法
• 2.1 计算模型
• 2.1.1 雷诺方程及基本边界条件
• 2.1.2 空化模型
• 2.1.3 无量纲化
• 2.2 有限元离散过程
• 2.2.1 网格划分与插值函数
• 2.2.2 等效积分形式与等效积分的“弱”形式
• 2.2.3 代数方程组
• 2.2.4 近似积分与迎风格式
• 2.3 方程组求解与空化边界条件的实现
• 2.3.1 方程组的预处理
• 2.3.2 雷诺边界条件的解法
• 2.3.3 JFO 边界条件的解法
• 2.3.4 相关参数的计算
• 第3章 算法的程序实现及软件直接求解
• 3.1 考虑空化的机械密封通用计算程序
• 3.1.1 程序的背景及功能
• 3.1.2 COMSOL软件基础
• 3.1.3 程序流程
• 3.2 程序具体实现方法
• 3.2.1 流程1-建立标准几何模型并生成网格
• 3.2.2 流程2-给定几何参数并重新生成几何模型及网格
• 3.2.3 流程3-分析网格数据并获取边界信息
• 3.2.4 流程6-求解压力分布
• 3.3 COMSOL软件的直接求解
• 3.3.1 雷诺方程在COMSOL中的表达
• 3.3.2 COMSOL直接求解
• 第4章 计算程序的验证及应用
• 4.1 相关的计算模型
• 4.1.1 径向直线槽
• 4.1.2 周向波度
• 4.1.3 斜直线槽
• 4.2 通用计算程序的对比验证
• 4.2.1 有限元离散过程
• 4.2.2 空化边界条件
• 4.3 空化边界条件的相关研究
• 4.3.1 雷诺边界条件与 CH 算法
• 4.3.2 空化边界条件的对比
• 4.4 斜直线槽密封性能分析
• 4.4.1 工况参数的适应性
• 4.4.2 槽型参数对密封性能的影响
• 4.4.3 斜直线槽参数设计准则
• 第5章 实验台设计及实验研究
• 5.1 实验台设计
• 5.1.1 实验台的特点和用途
• 5.1.2 实验台的基本结构
• 5.2 实验研究
• 5.2.1 实验参数与实验内容
• 5.2.2 实验结果及分析
• 第6章 结论
• 6.1 主要结论及创新点
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果