本文關鍵詞：螺旋槽干氣密封流固耦合分析

  更多相關文章： 螺旋槽干氣密封 流固耦合 理論分析 數值模擬 焦耳-湯姆遜效應

【摘要】：螺旋槽干氣密封在非接觸運轉過程中,氣膜流動和密封環(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限定假設的個數,提高計算精度,以期得到更符合干氣密封實際工況的性能參數,從而為干氣密封的優(yōu)化設計提供理論依據。本文主要采用理論分析和數值模擬兩種方法對螺旋槽干氣密封的流固耦合進行分析研究,同時還分析了密封氣體經過密封間隙時產生的焦耳-湯姆遜效應。假設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螺旋槽干氣密封進行理論分析。對螺旋槽干氣密封數值模擬進行網格獨立性驗證,在該基礎上通過Fluent軟件對鋸齒形螺旋槽和普通螺旋槽干氣密封氣膜流場進行數值模擬,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,根據使用條件的不同,兩種槽型的性能各有優(yōu)劣。假設靜環(huán)變形是軸對稱且為線性變形,根據結構參數和操作條件對靜環(huán)進行受力分析,采用皮采諾圓環(huán)理論計算靜環(huán)的偏轉角,即靜環(huán)的變形量,結果表明：靜環(huán)的各種變形量都隨著密封間隙的增大而減小。當膜厚為2.03 μm時,靜環(huán)的最大變形量將近密封間隙本身的兩倍；當密封間隙為2.6448 μm時,靜環(huán)的最大變形量與密封間隙接近。說明在螺旋槽干氣密封分析中,靜環(huán)的變形是不容忽視的。假設靜環(huán)變形是軸對稱且為線性變形,對螺旋槽干氣密封的氣膜與靜環(huán)進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,即當轉角不斷增大時,最小間隙不斷減小,而泄漏率不斷增大。利用ANSYS Workbench平臺聯合Fluent和Mechanical軟件對螺旋槽干氣密封進行流固耦合數值模擬,通過對流固耦合解析解與數值解進行對比分析,結果表明：對靜環(huán)的變形進行分析時,可直接以靜環(huán)的總變形量代替軸向變形量。由于流固耦合數值模擬得到的最大變形量與解析計算的最大變形量相差不是很大,說明在對靜環(huán)端面的變形進行理論分析時對其作線性處理具有一定的指導意義。當密封環(huán)選擇均為硬材料配合時,假設密封環(huán)不發(fā)生變形對干氣密封進行分析才具有一定的合理性。否則就會存在較大偏差。當考慮密封介質為實際氣體時,密封氣體通過密封環(huán)之間的微小間隙時,由于密封間隙的節(jié)流作用會產生焦耳-湯姆遜效應。針對干氣密封常面臨的氫氣、氮氣、空氣和二氧化碳,選擇最佳狀態(tài)方程作出其焦耳-湯姆遜系數曲線和焦耳-湯姆遜反轉曲線,并以空氣通過干氣密封間隙為例,計算焦耳-湯姆遜效應引起的氣體溫降。結果表明：實際氣體的焦耳-湯姆遜效應,對干氣密封的節(jié)流環(huán)節(jié)會產生重要影響。常溫條件下,氫氣發(fā)生致熱效應,而氮氣、空氣和二氧化碳氣體發(fā)生致冷效應。
【關鍵詞】：螺旋槽干氣密封 流固耦合 理論分析 數值模擬 焦耳-湯姆遜效應
【學位授予單位】：昆明理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：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展13-18
• 1.2.1 干氣密封發(fā)展進程13-15
• 1.2.2 干氣密封單一場研究狀況15-17
• 1.2.3 干氣密封流固耦合研究狀況17-18
• 1.3 本文研究內容及方法18-20
• 1.3.1 研究內容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構和工作原理20-22
• 2.1.1 基本結構20-21
• 2.1.2 工作原理21-22
• 2.2 干氣密封的主要性能參數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 結構參數23-24
• 2.3.2 操作條件24-25
• 2.4 結構參數及操作條件的選擇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分析28-50
• 3.1 氣膜流場理論分析28-33
• 3.1.1 物理模型28
• 3.1.2 理論解析計算28-33
• 3.1.2.1 氣膜平行時的流場計算28-32
• 3.1.2.1 氣膜傾斜時的流場計算32-33
• 3.2 氣膜流場數值模擬分析33-49
• 3.2.1 基本假設33-34
• 3.2.2 網格劃分34
• 3.2.3 邊界條件設置34-35
• 3.2.4 網格獨立性分析35-36
• 3.2.5 網格獨立性檢驗36-40
• 3.2.5.1 檢驗方法36
• 3.2.5.2 檢驗結果及分析36-40
• 3.2.6 鋸齒形螺旋槽干氣密封的數值模擬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49-50
• 第四章 螺旋槽干氣密封固體場變形分析50-56
• 4.1 基本假設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)的幾何參數計算51-53
• 4.5 靜環(huán)端面的力矩計算53
• 4.6 靜環(huán)的變形量計算53-55
• 4.7 本章小結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56
• 5.1.2 流固耦合計算56-58
• 5.2 氣膜與靜環(huán)的流固耦合數值模擬58-65
• 5.2.1 基本假設58-59
• 5.2.2 三維實體建模59
• 5.2.3 螺旋槽干氣密封流固耦合計算模型建立59-60
• 5.2.4 網格劃分60-61
• 5.2.5 邊界條件及模擬設置61
• 5.2.6 討論氣膜的等溫與不等溫流動對流場的影響61-62
• 5.2.7 流固耦合計算結果及分析62-65
• 5.3 本章小結65-66
• 第六章 干氣密封的實際氣體焦耳-湯姆遜效應分析66-80
• 6.1 焦耳-湯姆遜系數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 實際氣體摩爾定壓比熱容69-75
• 6.1.4 焦耳-湯姆遜系數曲線75-76
• 6.2 焦耳-湯姆遜反轉曲線76-77
• 6.3 計算實例及其討論77-79
• 6.4 本章小結79-80
• 第七章 結論與展望80-82
• 7.1 結論80-81
• 7.2 展望81-82
• 致謝82-84
• 參考文獻84-88
• 附錄：攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術論文88

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