迷宫-蜂窝混合型密封静态稳定性与泄漏特性研究

建立迷宫-蜂窝混合型密封三维数值分析模型,研究密封在阻塞/非阻塞流动状态及不同偏心率下静态稳定性与泄漏特性,并与传统迷宫密封进行对比分析. 结果表明:两种不同结构型式的密封泄漏量均随偏心率的增大而增加,但迷宫-蜂窝混合型密封相较于传统迷宫密封有更好的封严性能. 在阻塞与非阻塞状态下,两种密封均表现为负的静态刚度系数,系统易产生静态失稳现象. 与传统迷宫密封相比,迷宫-蜂窝混合型密封静态刚度系数绝对值较小,稳定性较高.      

型孔形状和方向对孔型阻尼密封泄漏特性影响

研究了型孔形状和方向性对孔型阻尼密封泄漏特性的影响. 建立了孔型阻尼密封流场特性CFD数值模型,对比分析了不同转速和密封间隙下圆孔阻尼密封、蜂窝密封、迷宫密封和光滑面密封的泄漏特性,研究不同转速下型孔形状、超椭圆系数和倾斜角对广义孔型阻尼密封泄漏特性的影响规律,探讨了方向性型孔阻尼密封阻流控漏机制. 结果表明:紧密排列的孔型阻尼密封相较于迷宫密封和光滑面密封具有显著优异的密封性能;倾斜角为30°、超椭圆系数为2且边数为2的类椭圆型孔阻尼密封在静止时具有最小的泄漏率,且可通过减小周向或轴向排列间距进一步减小泄漏;一定倾斜角条件下,超椭圆系数较大的类椭圆型孔出口尖端附近能形成明显的低速阻流区,从而达到阻流控漏的效果.      

雷列台阶-环槽端面密封机理与性能研究

基于质量守恒的JFO空化边界条件建立了雷列台阶-环槽机械密封端面润滑理论模型,采用有限单元法求解Reynolds控制方程,获得了端面膜压、密度比与液膜流线分布,分析了其密封机理与性能规律.结果表明:密封环端面内径侧的圆环浅槽和端面中部的圆环深槽组合结构可造成合理的空化现象,达到空化减漏的目的.其中,端面中部的圆环深槽是端面高压侧雷列台阶和端面低压侧圆环浅槽的隔离带,使得端面低压侧压力分布受端面高压侧压力分布的影响极小.密封流体进入低压侧圆环浅槽时,端面间隙突然发散,压力低于该工况温度下的饱和蒸汽压,整个圆环浅槽区液膜空化,达到零泄漏并出现大量的回流现象.外径侧雷列台阶提供良好的动压承载能力,实现了端面的非接触.雷列台阶和环槽织构的组合应用使得该机械密封具有优良的综合性能.     

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.      

交错式扇贝阻尼密封动力特性研究

建立交错式扇贝阻尼密封三维数值分析模型,基于动网格及多频椭圆涡动模型研究密封动力特性沿轴向分布规律,计算分析错开角度(α=0°、11.25°、22.5°、33.75°)与密封腔深度(h=2.8、3.3、3.8和4.3 mm)对密封动力特性的影响. 结果表明:上游腔室(C1~C4)具有较大的正直接刚度和有效阻尼,对抑制转子涡动、提升系统稳定性的贡献相对较大. 相对并列式(α=0°)结构,交错式扇贝阻尼密封流体周向速度较小、湍流耗散增加,系统稳定性提升,同时密封泄漏量降低. 错开角度为33.75°时的有效阻尼约为0°时的111%~121%;错开角度为22.5°时的泄漏量相较于0°时约降低了2.11%. 有效阻尼随密封腔深度减小而增大,密封腔深度为2.8 mm时的有效阻尼约为4.3 mm时的146%~211%;密封泄漏量随密封腔深度增大而降低,密封腔深度为4.3 mm时的泄漏量相较于2.8 mm时降低了约3.73%.      

磁流体密封水介质的自修复研究

通过磁流体密封水介质试验 ,观察分析了磁流体密封破裂后的修复过程 ,考察了导致磁流体密封破裂的因素对自修复程度的影响 .结果表明 :加压频次越多、密封破裂次数越少、磁场梯度越大、磁极靴的密封齿级数越小、磁极数越多、磁流体补给越充分及修复时间越长 ,则磁流体密封的自修复能力越强 .提高磁流体损耗后的补给程度可以大幅度提高自修复能力 .为了获得较好的自修复效果 ,宜采用多极 -多级密封结构 ,并保证足够的修复时间     

干气密封旋转流场的宏观特性与介观速度场的逻辑关系研究

旋转流场中的流体流动比较复杂,特别是在高转速、微尺度工况时,流场中的流体流态及其判断方法缺乏完备的理论模型.选择干气密封作为高速旋转流场的研究对象,以开启力和泄漏量作为宏观特性表征指标参数,选择剪切(周向)、径向及轴向速度分量对速度流场进行介观表述,通过Fluent软件仿真计算大跨距转速(低转速至超高转速)时的宏观、介观指标参数,研究密封性能指标参数与速度场间的内在逻辑关系.结果表明:低速旋转流场中的轴向速度分量较小,可忽略不计,转速升高会促使轴向速度分量持续增大,当转速持续增大并超过某一临界值时,轴向速度分量会出现迅速升高的情形;轴向速度分量的变化情形与微尺度流场(开启力和泄漏量)波动密切相关,是影响旋转流场流态的关键性指标参数,也是引起宏观流场特性变化的主要因素;径向速度分量的变化情形与微尺度流场泄漏量的变化规律基本一致,随着转速的增大,泄漏量的宏观性能反馈要早于开启力波动的出现.基于以上研究,同时根据管道雷诺数、流量因子判定模型及流体力学基本理论,尝试提出了基于三维速度分量的针对旋转流场流态的椭球判定模型.     

高钒高速钢冲击磨损性能与机理的研究

以高铬铸铁Cr26为对比材料,利用可模拟破碎机耐磨件实际服役工况(主轴转速2 840 r/min)的WM-1型冲击磨损试验机,以初始直径约25 mm的鹅卵石颗粒为磨料研究了高钒高速钢V9的冲击磨损性能及其磨损机理.结果表明:高钒高速钢V9的耐磨性为高铬铸铁Cr26的3倍以上;在颗粒的高速冲击下,高铬铸铁的磨损机理主要为划伤和碳化物碎裂导致剥落;高钒高速钢的磨损机理主要为在鹅卵石颗粒冲击下,基体受到显微切削而导致碳化物脱落,使基体受到颗粒的蚕食作用而不断反复进行的磨损过程.     

动静压混合式气体密封的特性分析

基于气体动压式和静压式密封原理,提出了新型的动静压混合式气体密封(简称混合式密封),介绍了该密封的工作原理.采用有限元法,利用Matlab数值软件,求解了混合式密封及动压式密封和静压式密封端面间气膜的Reynolds方程,得到气膜的压力分布,进而求得了密封的性能参数,如开启力、稳态刚度、泄漏率、摩擦功耗等.比较了不同端面结构的混合式密封与静压式和动压式密封的密封性能,并分析了混合式密封及静压式密封在失去气源情况下的密封性能.结果表明:与动压式密封相比,在同一气膜厚度下混合式密封获得的开启力更大,气膜厚度增加时仍具有较大的刚度;混合式密封可实现静压开启,动压运转;由于同时具有动压效应和静压效应,混合式密封工程应用范围更广;此外,混合式密封的特性参数可以通过在线调节阻封气压来改变.     

无人机入水发射流场仿真及冲击特性分析

跨介质航行是近年来无人机应用领域的重要研究内容。本文通过数值模拟方法,对某型号飞翼式无人机在不同工况下发射入水过程流场演变及运动姿态进行对比分析,同时对其入水冲击响应进行了数值仿真研究,得到不同发射工况下无人机的入水冲击载荷响应情况。结果表明：该型号无人机入水过程的姿态变化同时受水面条件及发射工况影响,静水工况下以25°入水角、4 m/s的条件发射无人机入水时,可实现最优的姿态恢复时间及入水冲击载荷响应值。

     

基于二阶滑移边界的螺旋槽干气密封泄漏量计算与分析

为解决螺旋槽干气密封流场计算中一阶线性滑移边界条件下得到的泄漏量与实验结果之间存在较大误差的问题,在一阶线性滑移边界条件的基础上,推导出二阶非线性滑移边界条件下的修正的广义雷诺方程,应用迭代法、PH 线性化方法等求解非线性雷诺方程,获得了气膜压力、流速、泄漏量的近似解.利用Maple程序计算了工程实例中不同转速和不同压力情况下的泄漏量,并与一阶线性滑移边界条件下的泄漏量和实验数值进行比较.结果表明:在工程实例中,压力相同时,泄漏量随转速的增大而增大,一、二阶最大相对误差分别为14.4%、5.4%;转速相同时,泄漏量随压力的增大而增大,一、二阶最大相对误差分别为33.3%、13.3%.本文未考虑干气密封内部的振动情况,因此一、二阶理论计算值小于实际测试值.二阶非线性滑移边界条件下的泄漏量值比一阶线性滑移边界条件下的泄漏量值更加接近实验数值,特别是在工程实例中转速、压力较低的工况下更加明显.     

岩石材料的冲击开裂机理

基于爆燃压裂造缝原理,研制了可以模拟爆燃加载环境的岩石冲击开裂实验装置,为进行动载下的岩石开裂机理研究提供了实验手段。根据动量和能量守衡原理等,建立了冲击峰值压力和加压速率计算模型,模型计算结果与16次钢质岩心实验结果间平均相对误差分别为2.56%和4.04%,具有较高的精度。39次岩石冲击开裂实验结果分析表明,冲击能量和平均加压速率是影响岩石开裂以及开裂能否形成多条裂缝的主要因素;多条开裂裂缝的形成更大程度上取决于平均加压速率,且存在明显的临界平均加压速率;基于实验结果的灰色关联分析和多元二次多项式回归,建立的裂缝条数计算相关公式具有较高的精度,为油气田开发中爆燃压裂技术的机理研究和施工参数设计与控制提供重要的依据。     

新型路基同心筒热冲击机理与热环境影响因子

针对新型同心筒自力发射高速热冲击载荷下热环境评估与影响因子决策问题,结合弹性变形和域动分层结合的动网格技术,求解了二维轴对称Navier-Stokes方程,分析了新型路基同心筒流场机理与热冲击特性,并确定了热环境评价指标;通过建立以优化拉丁超立方试验设计和径向基神经网络为理论基础的近似数学模型,解决了CFD自动建模困难、计算量大的难点;结合径向基神经网络训练方法,对导弹热环境的影响因子进行了智能决策研究。分析表明:倒吸进入新型同心筒内筒的低温气体有力改善了同心筒热环境;建立的近似模型精度较高,满足工程需求;对导弹热环境的影响因子从大到小依次为筒底导流板直径、筒底导流板长度、导流器高度;为导弹热环境多学科优化设计提供参考。     

基于逾渗理论的机械密封界面静态泄漏预测方法

针对现有机械密封泄漏机理研究存在的不足,利用Hertz理论研究机械密封界面接触力学问题,揭示了孔隙率随端面形貌、端面载荷等参数的变化规律;基于逾渗理论,探讨了不同网格层数下密封界面的逾渗阈值与孔隙率的关系,建立了密封界面泄漏通道模型,以及泄漏率与端面形貌参数关系表达式;研制了机械密封静态泄漏测试装置,测试了6组不同端面形貌试件在一定介质压力下的泄漏率.结果表明:密封界面的初始孔隙率?0随着分形维数D的增大而增大;端面比压pc增大,孔隙率?减小,并随着D的增大和尺度系数G的减小,?快速减小,直至填实.在端面比压作用下,密封界面的孔隙率均大于0.593,密封界面泄漏通道可以简化为单层网格逾渗模型.密封环的表面越粗糙,其密封界面的孔隙率越大,而由孔隙连通形成的泄漏微通道孔喉尺寸就越大,致使密封界面的泄漏率越大;泄漏率理论预测值与试验结果具有良好的吻合度,验证了本文泄漏预测方法的合理性.     

冲击载荷下脆性空心颗粒破碎机理

为考察脆性空心颗粒在冲击载荷作用下的应变率效应和破碎行为的细观机理,以粉煤灰漂珠为研究对象,基于低速冲击实验和有限元数值模拟,对比了典型空心颗粒材料在不同加载速率下的力学响应特性和细观压溃行为,阐释了材料宏观应变率效应产生的细观机理,获得以下结果。（1）在0.001～300 s?1应变率范围,漂珠颗粒的破碎率和Hardin破碎势平均提升了约21%和10%～30%,材料比吸能提升了50%～125%,比吸能的额外增加主要与动态颗粒滑移产生的摩擦耗能相关。颗粒平均尺寸较大的试样体现出更强的应变率效应。（2）初始压溃阶段的应力应变响应特征的数值模拟结果与实验结果较吻合,低速冲击下动态二次压溃现象产生的细观机理为动态颗粒滑移和压紧行为对加载速率的依赖性。(3) 数值模拟表明,冲击加载下产生相同应变时颗粒的损伤程度和范围大于准静态加载,这与实验所得破碎势随应变率增加的结果一致。对比低速冲击实验的相对破碎势分析和细观数值模拟结果可知,脆性颗粒堆积材料在动态冲击下表现出的宏观应变率效应主要归因于颗粒压溃行为的率敏感性和动态加载下颗粒破碎能量利用率的降低。     

分隔式双流道涡轮非稳态特性的形成机理分析

在非稳态条件下对分隔式双流道涡轮进行了数值模拟,得到了呈现出充盈和排空效应的涡轮非稳态特性圈;并分别从宏观和微观角度对涡轮非稳态特性进行了分析。结果表明：在同一个非稳态特性圈内,排空段的平均效率较充盈段高17.17个百分点,主要原因在于排空段的流速高于充盈段;内外流道脉冲波形成的非稳态特性圈之间的区别主要在充盈段,内流道充盈段的非稳态平均效率较外流道充盈段高10个百分点;脉冲波从内流道进入时,涡轮的总体流动损失小,即总体熵增较小。     

惯性效应对超高速倾斜端面气膜密封稳动态特性影响

研究了惯性效应和端面倾斜对超高速气膜端面密封稳动态特性的影响. 考虑气体惯性效应,建立了气膜端面密封稳动态特性数值分析模型,采用有限差分法求解稳态和微扰雷诺方程,获得端面膜压分布. 数值分析了惯性效应和端面倾斜度对开启力、气膜刚度和泄漏率等稳态性能参数以及刚度系数和阻尼系数等动态特性系数的影响规律,并以获得较大刚度系数为目标,获得了螺旋槽关键几何参数的优选值范围. 结果表明:在超高速条件下,考虑惯性效应后的干气密封泄漏率显著减小,刚漏比明显增大,而开启力、气膜刚度和动特性系数变化不大;倾斜端面气膜密封相较于平行端面气膜密封具有更佳的低频刚度和高频阻尼.      

PVDF压力传感器的冲击压电特性研究

PVDF薄膜是一种新型的聚合物压电材料.为了研究PVDF薄膜在低压和一维应变下的压电特性,利用立式Hopkinson压杆和一级轻气炮标定了自研制PVDF压力传感器的压电曲线,实验表明该应力传感器频响高,波形稳定,线性度良好,拟合灵敏度系数K值在0～20MPa和100～450MPa压力范围分别为14.96pC/N和11.9pC/N,可以基本满足动态冲击应力测试的要求.但由于PVDF薄膜的系数K受多方面的影响,定量分析有相当难度,建议使用跟实际工作状况相近的标定K值.     

倾斜微孔端面气体密封的动压特性研究

为提高多孔端面气体密封的动压特性, 提出 １种双列倾斜椭圆微孔端面密封结构． 基于气体润滑理论模 型, 采用数值方法分析了操作参数和微孔几何参数对密封泄漏率和开启力的影响规律, 探讨了倾斜微孔的上、 下游 泵送作用对气体密封动压特性的作用机理． 结果表明： 与单列倾斜微孔端面气体密封相比, 双列倾斜微孔端面气体 密封可使动压开启力显著增加, 低压侧微孔环带可将下游流体沿微孔倾斜方向向上游泵送, 使得泄漏率显著降低, 气体密封动压效应明显增强; 密封动压性能受反向开孔比、 微孔倾角、 面积比和孔深等几何参数的影响, 本文给出了 这些参数的优化取值范围．     

离心惯性力效应对超临界二氧化碳干气密封流场与密封特性影响分析

为揭示离心惯性力效应对S-CO₂干气密封流场与密封特性的影响规律,以螺旋槽干气密封为研究对象,引用考虑离心惯性力效应的Reynolds方程,在考虑气膜真实气体效应、黏度随压力与温度双重变化的同时,基于N-S方程与能量守恒定律,建立了绝热状态下考虑离心惯性力效应作用的能量控制方程.然后,采用有限差分法对压力控制方程与能量控制方程进行耦合求解,并对考虑离心惯性力效应与没有考虑离心惯性力效应下的压力分布、温度分布以及密封特性进行了分析讨论.研究表明:离心惯性力效应具有削弱流场内压力与温度的作用;从避免凝结流动角度考虑,离心惯性力效应引起的温降将不利于S-CO₂干气密封;考虑离心惯性力效应作用时,气膜开启力在不同槽深与转速下存在最佳工况点,泄漏率随着转速的增加显著减小,而离心惯性力效应与膜厚之间没有强交互作用;考虑离心惯性力效应作用的气膜开启力、泄漏率、出口温度均比不考虑离心惯性力效应作用的小,且这种差异随着转速的增大而增加,而随着膜厚的变化没有改变.这些结果为进一步研究S-CO₂干气密封奠定了一定的理论基础.