環(huán)形密封瞬態(tài)流場模擬及其動(dòng)力學(xué)特性研究.pdf

1、環(huán)形密封是離心泵內(nèi)部關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，主要用于抑制內(nèi)泄漏及平衡葉輪軸向推力，如葉輪口環(huán)、級(jí)間密封、迷宮密封、平衡盤環(huán)形間隙等。這些環(huán)形流道一般間隙很小，并且兩端壓差很大。流經(jīng)環(huán)形間隙的高壓泄漏流，會(huì)對旋轉(zhuǎn)的軸系部件產(chǎn)生動(dòng)態(tài)激勵(lì)作用，影響軸系的振動(dòng)特性和運(yùn)行穩(wěn)定性。環(huán)形密封間隙動(dòng)力學(xué)在上世紀(jì)得到了長足的發(fā)展，其分析方法也從一開始的短密封理論、有限長密封理論，逐步發(fā)展到了三維 CFD方法。然而，目前的研究方向仍側(cè)重于各類同心密封在偏心小擾動(dòng)下所表現(xiàn)

2、出的線性動(dòng)力學(xué)特性。而環(huán)形密封在轉(zhuǎn)子傾斜擾動(dòng)、上游來流不均勻、轉(zhuǎn)子大偏心和大擾動(dòng)等狀態(tài)下所表現(xiàn)出的非線性動(dòng)力學(xué)特性，卻未得到充分研究。另外，對于被廣泛采用的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模擬方法的不足之處以及它所帶來的誤差，也亟需進(jìn)一步研究和確認(rèn)。對這些關(guān)鍵問題的探討和解決，無疑將豐富水力機(jī)械環(huán)形密封動(dòng)力學(xué)理論體系，進(jìn)而促進(jìn)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)流激振動(dòng)特性的理論研究和工程分析。
　　本文以離心泵內(nèi)光滑壁面環(huán)形密封為研究對象，發(fā)展用于間隙流動(dòng)模擬和動(dòng)力學(xué)分析的動(dòng)網(wǎng)格模

3、型和瞬態(tài) CFD模擬方法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測試，針對大偏心、大擾動(dòng)和轉(zhuǎn)子傾斜擾動(dòng)條件下的非線性間隙密封動(dòng)力學(xué)問題開展研究。同時(shí)還面向離心泵，建立了轉(zhuǎn)子-密封系統(tǒng)非線性流固耦合分析模型，適合于復(fù)雜轉(zhuǎn)子/軸承/密封系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)研究。論文的主要內(nèi)容包括以下五個(gè)方面：
　　1、介紹了用于同心環(huán)形密封動(dòng)力學(xué)特性研究的常用CFD模擬方法，分析了傳統(tǒng)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài) CFD方法的不足之處，并提出了改進(jìn)的方法?；诓逯道碚?，發(fā)展了環(huán)形密封流場的動(dòng)網(wǎng)格模型，進(jìn)而給出

4、了用于環(huán)形密封動(dòng)力學(xué)研究的瞬態(tài) CFD方法?；趯?shí)驗(yàn)裝置，對泵葉輪口環(huán)流體力進(jìn)行了測試，驗(yàn)證了所提出計(jì)算方法的準(zhǔn)確性和計(jì)算精度。采用大長徑比液體密封，探討了影響動(dòng)特性系數(shù)計(jì)算精度的關(guān)鍵因素，著重討論了準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模擬方法和瞬態(tài)模擬方法的異同點(diǎn)及優(yōu)劣勢。
　　2、類比于偏心擾動(dòng)，給出了傾斜擾動(dòng)時(shí)同心密封動(dòng)特性系數(shù)的識(shí)別方法。鑒于完全瞬態(tài) CFD模擬方法的高耗時(shí)性，基于變速渦動(dòng)思想提出了一種快速求解模式，用于計(jì)算液體密封的全部（偏心和傾斜）

5、動(dòng)特性系數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)對比，評估了所提出瞬態(tài)方法的可行性。為了突顯轉(zhuǎn)子傾斜激勵(lì)作用，研究了轉(zhuǎn)子復(fù)合（偏心和傾斜）渦動(dòng)下的密封流體力，以及密封長徑比對兩類（偏心和傾斜）動(dòng)特性系數(shù)大小關(guān)系的影響。
　　3、建立了包括完整上游流域的環(huán)形密封模型，研究了非均勻來流對密封動(dòng)力學(xué)特性的影響?；谒矐B(tài)CFD模擬，研究了不均勻來流下環(huán)形密封的剛度系數(shù)以及流體激振力。通過對比均勻來流下的動(dòng)力學(xué)特性，首次提出了考慮上游來流非均勻性的線性密封力模型。

6、r>　　4、基于瞬態(tài)CFD模擬方法，計(jì)算了環(huán)形密封在不同偏心下的動(dòng)特性系數(shù)及泄漏量，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。探討了轉(zhuǎn)子擾動(dòng)量對偏心密封動(dòng)特性系數(shù)的影響，以研究線性假設(shè)的適用范圍。為了表述密封流體的非線性激勵(lì)，基于Muszynska非線性模型和CFD模擬，擬合出了非線性密封力模型。借助于非線性模型以及瞬態(tài) CFD模擬，計(jì)算了環(huán)形密封在各種大擾動(dòng)下的流體激勵(lì)作用，進(jìn)而探討了密封在大偏心和大擾動(dòng)下的動(dòng)力學(xué)特性。
　　5、為了更好地考慮環(huán)形密封

7、的非線性特性，通過編寫密封流場與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)場的交互程序平臺(tái)，建立了轉(zhuǎn)子-密封系統(tǒng)的流固耦合分析模型，并完成了耦合模型的分析和驗(yàn)證。
　　研究結(jié)果顯示，本文發(fā)展的環(huán)形小間隙流場的動(dòng)網(wǎng)格模型和瞬態(tài)計(jì)算方法具有良好的計(jì)算性能，可適用于各種大長徑比以及復(fù)雜轉(zhuǎn)子擾動(dòng)條件下的間隙動(dòng)力學(xué)分析。傳統(tǒng)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)CFD模擬方法、改進(jìn)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)CFD模擬方法和瞬態(tài)CFD模擬方法的計(jì)算精度和可靠性依次上升，結(jié)果還顯示準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)假設(shè)會(huì)導(dǎo)致密封主質(zhì)量系數(shù)的嚴(yán)重低估，而瞬態(tài)

8、 CFD模擬方法則可以準(zhǔn)確預(yù)測。本文提出的基于變速渦動(dòng)的瞬態(tài)模擬方法能夠在保持原有精度的同時(shí)，減少計(jì)算耗時(shí)現(xiàn)狀，可用于復(fù)雜液體密封的動(dòng)力學(xué)研究。隨著密封長徑比的增加，兩類（偏心和傾斜）動(dòng)特性系數(shù)的差距呈縮小趨勢，尤其是主剛度系數(shù)。因此，對于大長徑比環(huán)形間隙密封，轉(zhuǎn)子傾斜擾動(dòng)引起的密封流體激勵(lì)不應(yīng)被忽略。除入口預(yù)旋和入口損失之外，入口流動(dòng)的均勻性也對密封剛度影響很大。在大偏心下，環(huán)形密封動(dòng)力學(xué)特性對轉(zhuǎn)子擾動(dòng)量非常敏感，極易表現(xiàn)出非線性特性