本文關(guān)鍵詞：螺旋槽干氣密封流固耦合分析

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【摘要】：螺旋槽干氣密封在非接觸運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,氣膜流動(dòng)和密封環(huán)變形之間是相互耦合作用的。為了減少了干氣密封研究時(shí)限定假設(shè)的個(gè)數(shù),提高計(jì)算精度,以期得到更符合干氣密封實(shí)際工況的性能參數(shù),從而為干氣密封的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。本文主要采用理論分析和數(shù)值模擬兩種方法對(duì)螺旋槽干氣密封的流固耦合進(jìn)行分析研究,同時(shí)還分析了密封氣體經(jīng)過(guò)密封間隙時(shí)產(chǎn)生的焦耳-湯姆遜效應(yīng)。假設(shè)氣膜存在平行和傾斜兩種情況,利用求解氣膜壓力控制方程對(duì)螺旋槽干氣密封進(jìn)行理論分析。對(duì)螺旋槽干氣密封數(shù)值模擬進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證,在該基礎(chǔ)上通過(guò)Fluent軟件對(duì)鋸齒形螺旋槽和普通螺旋槽干氣密封氣膜流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,分別比較兩種槽型的氣膜壓力分布、開啟力、泄漏率、開漏比和剛度等參數(shù),根據(jù)使用條件的不同,兩種槽型的性能各有優(yōu)劣。假設(shè)靜環(huán)變形是軸對(duì)稱且為線性變形,根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作條件對(duì)靜環(huán)進(jìn)行受力分析,采用皮采諾圓環(huán)理論計(jì)算靜環(huán)的偏轉(zhuǎn)角,即靜環(huán)的變形量,結(jié)果表明：靜環(huán)的各種變形量都隨著密封間隙的增大而減小。當(dāng)膜厚為2.03 μm時(shí),靜環(huán)的最大變形量將近密封間隙本身的兩倍；當(dāng)密封間隙為2.6448 μm時(shí),靜環(huán)的最大變形量與密封間隙接近。說(shuō)明在螺旋槽干氣密封分析中,靜環(huán)的變形是不容忽視的。假設(shè)靜環(huán)變形是軸對(duì)稱且為線性變形,對(duì)螺旋槽干氣密封的氣膜與靜環(huán)進(jìn)行流固耦合理論分析,得到靜環(huán)變形與氣膜變化的規(guī)律,即當(dāng)轉(zhuǎn)角不斷增大時(shí),最小間隙不斷減小,而泄漏率不斷增大。利用ANSYS Workbench平臺(tái)聯(lián)合Fluent和Mechanical軟件對(duì)螺旋槽干氣密封進(jìn)行流固耦合數(shù)值模擬,通過(guò)對(duì)流固耦合解析解與數(shù)值解進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明：對(duì)靜環(huán)的變形進(jìn)行分析時(shí),可直接以靜環(huán)的總變形量代替軸向變形量。由于流固耦合數(shù)值模擬得到的最大變形量與解析計(jì)算的最大變形量相差不是很大,說(shuō)明在對(duì)靜環(huán)端面的變形進(jìn)行理論分析時(shí)對(duì)其作線性處理具有一定的指導(dǎo)意義。當(dāng)密封環(huán)選擇均為硬材料配合時(shí),假設(shè)密封環(huán)不發(fā)生變形對(duì)干氣密封進(jìn)行分析才具有一定的合理性。否則就會(huì)存在較大偏差。當(dāng)考慮密封介質(zhì)為實(shí)際氣體時(shí),密封氣體通過(guò)密封環(huán)之間的微小間隙時(shí),由于密封間隙的節(jié)流作用會(huì)產(chǎn)生焦耳-湯姆遜效應(yīng)。針對(duì)干氣密封常面臨的氫氣、氮?dú)狻⒖諝夂投趸?選擇最佳狀態(tài)方程作出其焦耳-湯姆遜系數(shù)曲線和焦耳-湯姆遜反轉(zhuǎn)曲線,并以空氣通過(guò)干氣密封間隙為例,計(jì)算焦耳-湯姆遜效應(yīng)引起的氣體溫降。結(jié)果表明：實(shí)際氣體的焦耳-湯姆遜效應(yīng),對(duì)干氣密封的節(jié)流環(huán)節(jié)會(huì)產(chǎn)生重要影響。常溫條件下,氫氣發(fā)生致熱效應(yīng),而氮?dú)狻⒖諝夂投趸細(xì)怏w發(fā)生致冷效應(yīng)。
【關(guān)鍵詞】：螺旋槽干氣密封 流固耦合 理論分析 數(shù)值模擬 焦耳-湯姆遜效應(yīng)
【學(xué)位授予單位】：昆明理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TH136
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 緒論12-20
• 1.1 選題背景及意義12-13
• 1.2 干氣密封性能研究進(jìn)展13-18
• 1.2.1 干氣密封發(fā)展進(jìn)程13-15
• 1.2.2 干氣密封單一場(chǎng)研究狀況15-17
• 1.2.3 干氣密封流固耦合研究狀況17-18
• 1.3 本文研究?jī)?nèi)容及方法18-20
• 1.3.1 研究?jī)?nèi)容18
• 1.3.2 研究方法18-20
• 第二章 螺旋槽干氣密封基本理論20-28
• 2.1 螺旋槽干氣密封的基本結(jié)構(gòu)和工作原理20-22
• 2.1.1 基本結(jié)構(gòu)20-21
• 2.1.2 工作原理21-22
• 2.2 干氣密封的主要性能參數(shù)22-23
• 2.3 影響螺旋槽干氣密封性能的主要因素23-25
• 2.3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)23-24
• 2.3.2 操作條件24-25
• 2.4 結(jié)構(gòu)參數(shù)及操作條件的選擇25-26
• 2.5 密封環(huán)材料選擇26
• 2.6 干氣密封研究方法選擇26-28
• 第三章 螺旋槽干氣密封的流場(chǎng)分析28-50
• 3.1 氣膜流場(chǎng)理論分析28-33
• 3.1.1 物理模型28
• 3.1.2 理論解析計(jì)算28-33
• 3.1.2.1 氣膜平行時(shí)的流場(chǎng)計(jì)算28-32
• 3.1.2.1 氣膜傾斜時(shí)的流場(chǎng)計(jì)算32-33
• 3.2 氣膜流場(chǎng)數(shù)值模擬分析33-49
• 3.2.1 基本假設(shè)33-34
• 3.2.2 網(wǎng)格劃分34
• 3.2.3 邊界條件設(shè)置34-35
• 3.2.4 網(wǎng)格獨(dú)立性分析35-36
• 3.2.5 網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)36-40
• 3.2.5.1 檢驗(yàn)方法36
• 3.2.5.2 檢驗(yàn)結(jié)果及分析36-40
• 3.2.6 鋸齒形螺旋槽干氣密封的數(shù)值模擬40-49
• 3.2.6.1 鋸齒形螺旋槽模型41-42
• 3.2.6.2 角度β_1和β_2對(duì)干氣密封性能的影響42-43
• 3.2.6.3 鋸齒形螺旋槽和常規(guī)螺旋槽的性能比較43-49
• 3.3 本章小結(jié)49-50
• 第四章 螺旋槽干氣密封固體場(chǎng)變形分析50-56
• 4.1 基本假設(shè)50
• 4.2 靜環(huán)受力分析50-51
• 4.3 靜環(huán)變形算法51
• 4.4 靜環(huán)的幾何參數(shù)計(jì)算51-53
• 4.5 靜環(huán)端面的力矩計(jì)算53
• 4.6 靜環(huán)的變形量計(jì)算53-55
• 4.7 本章小結(jié)55-56
• 第五章 螺旋槽干氣密封流固耦合分析56-66
• 5.1 氣膜與靜環(huán)的流固耦合求解56-58
• 5.1.1 基本假設(shè)56
• 5.1.2 流固耦合計(jì)算56-58
• 5.2 氣膜與靜環(huán)的流固耦合數(shù)值模擬58-65
• 5.2.1 基本假設(shè)58-59
• 5.2.2 三維實(shí)體建模59
• 5.2.3 螺旋槽干氣密封流固耦合計(jì)算模型建立59-60
• 5.2.4 網(wǎng)格劃分60-61
• 5.2.5 邊界條件及模擬設(shè)置61
• 5.2.6 討論氣膜的等溫與不等溫流動(dòng)對(duì)流場(chǎng)的影響61-62
• 5.2.7 流固耦合計(jì)算結(jié)果及分析62-65
• 5.3 本章小結(jié)65-66
• 第六章 干氣密封的實(shí)際氣體焦耳-湯姆遜效應(yīng)分析66-80
• 6.1 焦耳-湯姆遜系數(shù)66-76
• 6.1.1 立方型狀態(tài)方程67-69
• 6.1.2 壓縮因子69
• 6.1.3 實(shí)際氣體摩爾定壓比熱容69-75
• 6.1.4 焦耳-湯姆遜系數(shù)曲線75-76
• 6.2 焦耳-湯姆遜反轉(zhuǎn)曲線76-77
• 6.3 計(jì)算實(shí)例及其討論77-79
• 6.4 本章小結(jié)79-80
• 第七章 結(jié)論與展望80-82
• 7.1 結(jié)論80-81
• 7.2 展望81-82
• 致謝82-84
• 參考文獻(xiàn)84-88
• 附錄：攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文88

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