環(huán)形密封瞬態(tài)流場模擬及其動力學特性研究.pdf

1、環(huán)形密封是離心泵內部關鍵結構，主要用于抑制內泄漏及平衡葉輪軸向推力，如葉輪口環(huán)、級間密封、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，會對旋轉的軸系部件產(chǎn)生動態(tài)激勵作用，影響軸系的振動特性和運行穩(wěn)定性。環(huán)形密封間隙動力學在上世紀得到了長足的發(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重于各類同心密封在偏心小擾動下所表現(xiàn)

2、出的線性動力學特性。而環(huán)形密封在轉子傾斜擾動、上游來流不均勻、轉子大偏心和大擾動等狀態(tài)下所表現(xiàn)出的非線性動力學特性，卻未得到充分研究。另外，對于被廣泛采用的準穩(wěn)態(tài)模擬方法的不足之處以及它所帶來的誤差，也亟需進一步研究和確認。對這些關鍵問題的探討和解決，無疑將豐富水力機械環(huán)形密封動力學理論體系，進而促進轉子系統(tǒng)流激振動特性的理論研究和工程分析。
　　本文以離心泵內光滑壁面環(huán)形密封為研究對象，發(fā)展用于間隙流動模擬和動力學分析的動網(wǎng)格模

3、型和瞬態(tài) CFD模擬方法，結合實驗測試，針對大偏心、大擾動和轉子傾斜擾動條件下的非線性間隙密封動力學問題開展研究。同時還面向離心泵，建立了轉子-密封系統(tǒng)非線性流固耦合分析模型，適合于復雜轉子/軸承/密封系統(tǒng)的動力學研究。論文的主要內容包括以下五個方面：
　　1、介紹了用于同心環(huán)形密封動力學特性研究的常用CFD模擬方法，分析了傳統(tǒng)準穩(wěn)態(tài) CFD方法的不足之處，并提出了改進的方法。基于插值理論，發(fā)展了環(huán)形密封流場的動網(wǎng)格模型，進而給出

4、了用于環(huán)形密封動力學研究的瞬態(tài) CFD方法?；趯嶒炑b置，對泵葉輪口環(huán)流體力進行了測試，驗證了所提出計算方法的準確性和計算精度。采用大長徑比液體密封，探討了影響動特性系數(shù)計算精度的關鍵因素，著重討論了準穩(wěn)態(tài)模擬方法和瞬態(tài)模擬方法的異同點及優(yōu)劣勢。
　　2、類比于偏心擾動，給出了傾斜擾動時同心密封動特性系數(shù)的識別方法。鑒于完全瞬態(tài) CFD模擬方法的高耗時性，基于變速渦動思想提出了一種快速求解模式，用于計算液體密封的全部（偏心和傾斜）

5、動特性系數(shù)。通過實驗對比，評估了所提出瞬態(tài)方法的可行性。為了突顯轉子傾斜激勵作用，研究了轉子復合（偏心和傾斜）渦動下的密封流體力，以及密封長徑比對兩類（偏心和傾斜）動特性系數(shù)大小關系的影響。
　　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力學特性的影響。基于瞬態(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力學特性，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，計算了環(huán)形密封在不同偏心下的動特性系數(shù)及泄漏量，并進行了實驗驗證。探討了轉子擾動量對偏心密封動特性系數(shù)的影響，以研究線性假設的適用范圍。為了表述密封流體的非線性激勵，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，計算了環(huán)形密封在各種大擾動下的流體激勵作用，進而探討了密封在大偏心和大擾動下的動力學特性。
　　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子結構場的交互程序平臺，建立了轉子-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證。
　　研究結果顯示，本文發(fā)展的環(huán)形小間隙流場的動網(wǎng)格模型和瞬態(tài)計算方法具有良好的計算性能，可適用于各種大長徑比以及復雜轉子擾動條件下的間隙動力學分析。傳統(tǒng)準穩(wěn)態(tài)CFD模擬方法、改進準穩(wěn)態(tài)CFD模擬方法和瞬態(tài)CFD模擬方法的計算精度和可靠性依次上升，結果還顯示準穩(wěn)態(tài)假設會導致密封主質量系數(shù)的嚴重低估，而瞬態(tài)

8、 CFD模擬方法則可以準確預測。本文提出的基于變速渦動的瞬態(tài)模擬方法能夠在保持原有精度的同時，減少計算耗時現(xiàn)狀，可用于復雜液體密封的動力學研究。隨著密封長徑比的增加，兩類（偏心和傾斜）動特性系數(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，轉子傾斜擾動引起的密封流體激勵不應被忽略。除入口預旋和入口損失之外，入口流動的均勻性也對密封剛度影響很大。在大偏心下，環(huán)形密封動力學特性對轉子擾動量非常敏感，極易表現(xiàn)出非線性特性