汽液两相流机械密封的研究进展

液体润滑端面机械密封是流程工业用机泵轴端密封的主要形式，且大量应用于航空航天、海洋工程装备和高端制造装备中，实际运行过程中其端面间液体膜常常发生相变，由此产生端面变形、干磨和密封失稳等现象，甚至完全失效，严重影响了有关设备或整个装置的安全可靠与稳定运行，因此开展汽液两相流端面机械密封研究具有重要意义. 本文中综述了近50年来汽液两相端面机械密封的研究现状，归纳出了机械密封的典型热源及其热传播途径，阐述了机械密封的相变原理，总结了端面流体膜参数的测量技术与方法；在试验研究方面，提出机械密封的端面液膜汽化主要与操作工况、几何尺寸和表面形貌或表面织构有关，其中端面液体入口和出口工况、平衡比和端面变形程度等受到关注，但缺少关于端面形貌或织构的深度研究，也缺少端面摩擦副合理配对的系统研究；在理论研究方面，提出了机械密封相变稳定性判据，以及间断沸腾模型、连续沸腾模型和薄膜均相沸腾模型等3种理论模型，比较了3种模型的优缺点并指出其适用范围. 指出建立合理的相变理论模型，实现相变密封的稳定运行，突破相变密封监控关键技术，构建智能型液体润滑机械密封是未来两相流机械密封的研究重点.      

柔性多体系统动力学研究现状与展望

对柔性多体系统动力学的研究现状进行了概括和总结,主要从柔性体建模方法、刚柔耦合动力学、接触碰撞问题、多物理场耦合、微分代数方程求解技术、控制方法、设计优化及软件开发和实验研究等几个研究方向进行总结,并对未来的研究方向做了展望.     

核电站一回路用机械密封

机械密封在各类核电站的一回路中有大量应用.核电站一回路用机械密封是核电站的关键部件之一,其性能好坏很大程度上决定着核电站能否长周期安全可靠运行.本文以几种具有代表性的核电站反应堆堆型为例,对其一回路用机械密封进行了介绍,这些反应堆分别以水、氦气和液态金属为冷却剂并跨越第二代到第四代核电技术.首先介绍了压水堆核主泵机械密封,分别叙述了美式风格的流体静压型核主泵密封及欧式风格的流体动压型核主泵密封的结构特点、工作原理和最新的基础研究状况;随后介绍了高温气冷堆氦气轮机/氦气风机干气密封的结构特点、使用要求及相应的针对性设计;最后介绍了钠冷快堆钠泵机械密封,包括1种惰性气体缓冲、油膜润滑的三级串联式机械密封和1种直接以液态金属润滑的螺旋槽式机械密封.     

机械密封动环外周表面织构换热机理及结构优化

本文中以接触式机械密封为研究对象，考虑端面摩擦热，建立了包含密封环及密封腔的三维轴对称传热模型，并采用Fluent软件进行了传热分析，得到了密封环及密封腔的流场、温度场、速度场和Nusselt Number(Nu数)分布情况. 通过分析织构及其周边的流场、流态和温度场，揭示了织构的对流换热机理，主要研究了等边三角形织构的深径比、排数、排间距、排列方式和方向角等几何因素对端面温度的影响，并对等边三角形的结构参数进行了优选. 结果表明:动环外周表面织构具有增强对流换热效果和降低密封环整体温度的能力；织构的型式、深径比、个数以及排列方式均会对其换热效果产生影响，其中织构个数和旋转角影响较大，且三角形织构具有较强的换热能力，为今后高性能机械密封的优化设计及应用提供了理论依据.      

液体密封端面倾斜椭圆孔上游泵送特性

气液异相介质隔离密封的实现有赖于密封端面几何型槽的上游泵送特性，为探索多孔端面实现液封气密封的设计途径，对液体密封端面倾斜椭圆孔上游泵送特性开展研究. 考虑空化效应，采用有限差分方法对转速、密封间隙、密封压力等操作参数和孔深、倾斜角、方向因子、孔数等结构参数对开启力和泄漏率的影响规律进行了数值分析. 结果显示:液体润滑条件下端面倾斜椭圆孔可产生明显的上游泵送效应，增加周向孔数和方向因子可实现被密封介质的完全零泄漏，同时可产生明显的流体动压效应使端面开启力提高50%以上. 文中密封压力条件下，孔深取5~10 μm，倾斜角取45°，周向孔数大于80，方向因子大于3时，密封可实现完全反向泵送，反向泄漏率的增加与随着孔数、方向因子和孔深的增加而增加.      

机械敏感性离子通道的建模模拟研究

机械敏感性离子通道在多种生理活动中起着极其重要的作用. 至今, 学者对这类通道的研究分析已经长达20 多年. 在实验方面, 大电导率和小电导率机械敏感性离子通道晶体结构的确定, 使人们对机械敏感性离子通道的建模和模拟分析成为可能, 并对这类通道的动力学机理的了解大大深入. 在对离子通道理论研究的过程中, 多种模拟方法和计算手段都展示了各自的优越性和针对性, 这为我们提供了从不同方面认识离子通道的可能性, 但他们也存在着自身的局限性. 特别是, 在众多针对离子通道的理论分析技术当中, 分子动力学模拟的方法尤为突出. 这一技术的出现, 为我们提供了对离子通道结构功能关系以及动力学特性更加全面与细节的描述, 这些都是其他很多技术方法所不能达到的. 另外, 分子动力学模拟又包括多种方法, 不同方法的使用使得我们能从不同切入点研究离子通道不同的特性. 因此在本文中, 我们着眼于对机械敏感性离子通道的计算分析, 特别是分子动力学模拟的应用. 通过对分子动力学模拟的介绍, 我们探讨了机械敏感性离子通道在构象、磷脂环境、机械刺激、电压依赖以及门控开放等方面的动力学机制. 同时对不同模拟技术优劣性的比较将会为我们日后的探索提供更好的研究方法. 最后, 我们也概括了国内近年来在离子通道理论研究方面取得的重大突破和突出成果, 为我们日后深入研究机械敏感性离子通道提供新的思路与启发.      

蜂窝密封内流动传热及转子动力特性的研究进展

蜂窝密封由于其具有优良的密封性能和转子动力特性而广泛应用于叶轮机械中.本文从实验研究、数值模拟和理论分析3个方面对蜂窝密封的研究现状及其进展进行了综述.主要内容包括:蜂窝密封泄漏特性及其密封机理的研究进展;蜂窝密封流动总温升特性的研究进展;蜂窝密封流热耦合作用下的流动传热特性研究进展;蜂窝密封非定常气流激振和转子动力特性的流固耦合机理研究进展.最后在蜂窝密封研究现状综述的基础上, 展望了蜂窝密封的发展方向.      

基于端面振动测量的机械密封摩擦学行为试验研究

针对接触式机械密封在运行过程中端面磨损引起性能退化缺乏有效的状态监测方法的问题,提出了用端面振动加速度测量机械密封摩擦学行为的方法.搭建了机械密封试验台,开展了机械密封摩擦学行为测试试验,采集了密封端面振动信号,提取了端面振动特征参数,探究了端面振动敏感特征参数随机械密封摩擦学状态的演变规律,基于试验数据构建了机械密封性能退化评价准则.结果表明：利用端面振动的监测方式可以实现机械密封的摩擦学状态监测;端面振动敏感特征参数模糊熵、均值和排列熵对摩擦学状态敏感;在密封介质压力一定的情况下,密封端面振动信号的模糊熵、均值和排列熵幅值随着机械密封转速的升高而升高,随着机械密封端面磨损程度的升高而升高;通过端面振动敏感特征参量可以表征机械密封的摩擦学状态.     

纳米颗粒多相流体动力学研究及应用

纳米颗粒多相流研究是目前多相流研究中新的研究方向及重点发展领域.为探索纳米尺度多相流相间作用机理及内部存在机制,采用理论分析及数值计算手段,对一般动力学方程的封闭处理、颗粒碰撞率宏观模型的有效构建、颗粒凝并系统动力学演变特性的机理分析、非稀相问题碰撞率的求取、双变量问题求解方法的建立以及一些实际应用进行了系统研究,提出了新的针对纳米尺度颗粒动力学演变的一般动力学方程求解方法,并将其应用于实际工业过程问题的研究.该文对上述研究工作进行了综述.     

高速列车空气动力学研究技术综述

随着我国高速铁路的快速发展,高速列车运行速度越来越快,包括气动阻力、横风效应、会车效应、隧道效应和气动噪声等一系列空气动力学问题日益突出. 利用模型试验、实车测量和数值计算等不同的研究手段,开展全面的高速列车空气动力学研究显得十分重要. 本文比较全面和系统地介绍了国内外高速列车空气动力学研究在模型试验、实车测量、数值计算等方面的技术现状和进展情况,对今后的发展方向和内容进行了展望.     

机械密封补偿机构中辅助O形密封圈的性能分析

采用有限单元法建立了机械密封O形辅助密封圈的数值分析模型.利用非线性有限元软件MSC.MARC计算了VonMises应力和接触密封界面之间的接触应力.采用高频疲劳试验机和高压水润滑O形密封圈试验单元组成的试验装置测得了摩擦力,并结合数值计算结果求得了摩擦系数.分析了O形辅助密封圈的压缩量及滑移速度对摩擦力的影响,讨论了O形辅助密封圈对机械密封的密封能力、泄漏特性的影响.结果表明:O形密封圈用于机械密封中的补偿机构会有微量泄漏;水润滑状态下接触密封界面能形成润滑水膜,摩擦力较小,有利于密封稳定运转.     

接触式机械密封端面经济加工分形维数

考虑端面形貌对机械密封性能和加工成本的影响,运用分形理论分析了端面分形参数与泄漏率之间的关系,提出了密封端面经济加工分形维数概念.针对GY-70型机械密封进行了密封性能试验和端面形貌参数测量,发现随着运行时间的推移,密封端面分形维数增大速率逐渐减小,泄漏率降低速率逐渐减小.当t为130 h时,泄漏率Q达到允许值5×10-6m3/h,D=1.645.结果表明:基于允许泄漏率的机械密封,具有一定的经济加工分形维数.合理设计密封端面分形维数可以避免盲目提高加工精度,缩短机械密封的磨合时间,实现初始密封.     

核主泵用双锥度端面流体静压机械密封热弹流效应研究

针对核主泵用双锥度端面流体静压型机械密封热弹流效应研究在高压和高速条件下,其密封性能易受端面热弹变形影响的特点,提出了收敛型双锥面流体静压型机械密封,并建立了热-流-固耦合数学模型;通过采用有限差分法求解端面温度和端面流体膜压的控制方程组,采用有限元法求解密封环的热、弹变形,对密封进行了流、固、热耦合分析,研究了热弹变形对密封性能的影响,并对单锥面和双锥面2种流体静压型机械密封的密封性能、温度分布进行了对比研究.结果表明:双锥面密封与单锥面密封相比,不仅稳定性更好,而且端面温度分布更均匀,可靠性更高,但是泄漏率略有上升;在泄漏入口处即高压侧,外锥面锥度的大小对开启力影响较大,而在泄漏出口处即低压侧,内锥面锥度的大小对泄漏率影响较大;内锥面宽度比取0.05左右时能获得较大的刚漏比.     

液膜润滑机械端面密封流体动压沟槽侧壁效应研究

针对非接触机械密封端面开槽后所出现的膜厚不连续处存在的侧壁效应,在沟槽边界处将广义伯努利方程引入传统润滑方程,建立了考虑动压沟槽侧壁效应的液膜润滑螺旋槽端面机械密封数值分析模型. 采用有限单元法结合拉格朗日乘子法求解润滑方程,研究了不同螺旋槽几何参数和工况条件下沟槽侧壁效应对密封性能的影响. 结果表明:数值模型可方便捕捉沟槽边界处的压力跃变,侧壁效应在不同螺旋槽深度下表现出截然不同的影响规律,高转速、大螺旋角和小密封间隙下动压沟槽的侧壁效应较为显著. 理论模型和计算方法可为超高速工况螺旋槽机械密封的设计和局部惯性效应的研究提供指导.      

迷宫密封湍流增阻的数值研究

迷宫密封是依靠节流间隙中的节流过程和迷宫空腔内的动能耗散过程来实现密封的,这两个流体流动过程从本质上规定了迷宫密封的密封性能。通过密封内部流动本质的研究,合理利用湍流流动的规律和特点,能够发挥密封内部湍流的增阻作用,提高密封性能。本文数值计算了一种锯齿型径向迷宫密封的内部流动,得到了密封内部的流动形态,揭示了密封内部流动与密封性能的关系。结果表示,密封存在一个最佳的齿插入长度。在最佳齿插入长度时,尽管节流间隙较大,但由于节流间隙内流动收缩和偏转,间隙的有效通流面积却很小,泄漏介质可以在间隙中获得较大的速度,在迷宫空腔内形成正确的耗散涡流,密封具有最佳的密封效果。所以,充分发挥湍流增阻的作用,可以突破节流间隙的微小尺寸限制,实现较大间隙下的良好密封。这不仅会给迷官密封的制造、安装及运行等带来很大的方便,而且可以为发展新的迷宫密封技术奠定理论基础。     

考虑弹塑性变形阶段的干气密封接触模型

为探究干气密封摩擦界面在变形全阶段的接触特性,基于分形接触理论及微观接触力学理论,充分考虑微凸体变形的3个阶段,通过余弦函数构建干气密封全阶段接触模型,并分别与GW模型、KE模型和ZMC模型三种经典接触模型及相关文献的试验数据作对比,验证本文中接触模型的合理性与正确性. 最后对干气密封摩擦界面接触特性的主要影响因素进行探究. 模型研究结果表明:干气密封摩擦界面的接触特性与分形维数、特征尺度及两表面的真实接触面积有关. 接触特性与分形维数和两表面真实接触面积呈正相关,与特征尺度呈负相关. 分形维数越大,接触载荷与接触刚度的数量级就越大,且接触载荷变化范围相对较大. 当特征尺度每次以1个数量级递增时,接触载荷与接触刚度的变化范围较小,都在1个数量级内.      

机械密封热力耦合有限元模型与密封性能分析

以接触式机械密封为研究对象,考虑密封环的热力变形和液膜温度、厚度等的耦合关系,建立了二维轴对称热力耦合计算模型,采用有限元与数值迭代技术实现了模型的数值解算,研究了密封端面热力变形规律,分析了不同密封压力下的密封性能.结果表明:热力耦合变形作用下,端面形成收敛型泄漏间隙,最小膜厚位于端面内靠近内径侧位置,最高温度位于最小膜厚处;随密封压力的增大,端面最小膜厚减小,端面最大温升、摩擦扭矩和泄漏率相应增大.采用的模型和计算方法可用于海洋装备用机械密封结构的优化设计.