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.      

考虑空化效应的螺旋槽机械密封液膜动力学特性研究

考虑液膜空化效应的影响,研究螺旋槽液体润滑机械密封的动力学特性. 基于液体润滑理论和小扰动法,建立了考虑液膜空化的密封微扰膜压控制方程,采用有限单元法对端面液膜三自由度微扰下的液膜刚度和阻尼系数进行了数值求解,分析了不同参数对液膜密封动力系数的影响. 螺旋槽深度在10 μm左右、槽坝比在0.75左右、槽宽比在0.4左右,螺旋角在9°左右时液膜具有最大的轴向和角向刚度系数. 螺旋槽深度在5 μm左右、槽宽比在0.6左右、螺旋角在20°左右时,两角向交叉阻尼绝对值最大. 初始偏角的存在使密封压力呈现非对称性,从而使两角向动力系数绝对值不再相等. 液膜轴向刚度k_zz在数量级上远大于其余液膜刚度值,液膜轴向阻尼d_zz、角向阻尼d_αα和d_ββ远大于液膜其余阻尼值且随着转速和间隙的增大而减小.      

交变载荷作用下端面密封瞬态耦合特性分析

建立了机械密封热-结构耦合计算的数学模型并给出详细的求解边界条件,推导了密封端面开口间隙与端面液膜压力的函数关系。利用离散节点加载的方法完成了对应工况下端面液膜压力的加载,给出了弹簧作用力的交变函数表达形式,通过与载荷时间结合的动力学瞬态分析,获得了密封端面的温度和压力等特性参数。结果表明,瞬态分析中密封端面各特性在多数时刻点仍表现出与稳态相似的特征,端面局部接触且其处于高温区,静环与动环端面分离并呈一定形式的锥形开口形状;随时间变化的弹簧比压,改变了密封装置的受力状况,使端面的温度、接触压力等特性呈现出交变的瞬态特征。     

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.      

高速气流阻塞效应对倾斜微孔端面密封动压特性的影响

以倾斜椭圆微孔端面为研究对象,考虑出口阻塞效应和入口压力损失,对高速气流润滑密封动压特性展开理论研究.采用数值方法重点分析不同密封压力、转速等操作参数和端面宽度等几何参数以及方向因子、倾斜角、孔深及面积比等微孔几何参数下,阻塞效应对开启力和泄漏量等密封特性参数的影响规律.结果表明:入口压力损失使入口处压力降低,出口阻塞效应使出口处压力抬升,导致端面开启力和泄漏量降低.随着转速和密封压力的增加,阻塞效应增强,与强制压力边界下的值相比,当密封压力为10 MPa,转速为50 000 r/min时,开启力降低可达5%以上,泄漏量可降低67%以上.当孔深取2~4μm,微孔倾斜角取20°~40°时较易获得优异的动压开启性能.     

数值模拟过冷水滴撞击翼型表面的收集特性

为了研究过冷水滴撞击翼型表面的收集特性,本文采用欧拉两相流法建立了气流控制方程和水滴运动控制方程,并采用有限体积法对方程进行了求解。为了使水滴体积分数在数值迭代过程中保持为正值,本文在水滴控制方程中引入了一个变量A,使得迭代过程更加平稳。求解水滴控制方程,并得到了翼型表面的水滴收集特性。对过冷水滴撞击翼型表面的收集特性进行了研究,在平均水滴直径不同的情况下,将单尺寸分布与多尺寸分布情况下的局部收集系数进行了对比;发现:局部收集系数在驻点附近比较一致,随着离驻点的距离越来越大,局部收集系数产生偏差;多尺寸分布的水滴撞击极限远大于单尺寸下的计算值。同时本文还讨论了过冷水滴的大小对局部水收集系数和撞击极限的影响,发现平均水滴直径越大,局部水滴收集系数和撞击区域越大。     

可压流数值模拟中当地DFD方法的改进和应用

阐述了求解守恒型Euler 方程的当地DFD (Domain-Free Discretization) 方法的改进和应用。DFD 离散策略的核心,是解域内点上控制方程的离散形式可与解域外的一些点相关。通过边界附近解的近似形式,外部相关点上的流动变量值得到确定并强加相应的边界条件。与最初的当地DFD方法不同,在解的近似形式构建中,采用了CCST技术 (Curvature-Corrected Symmetry Technique),因此外部相关点上的密度和切向速度分别由等熵和等总焓关系确定。空间离散采用Galerkin 有限体积格式。最后,给出了固定和运动物体可压缩绕流的数值模拟结果,以验证改进的当地DFD方法的可靠性和数值解精度的提高。     

主动射流控制水翼空化的数值模拟与分析

为了改善高速流动工况下水翼吸力面上流场的空化特性,提出了水翼表面主动射流对绕水翼周围流动加以控制的方法.基于密度分域滤波的FBDCM混合湍流模型联合Zwart-Gerber-Belamri空化模型,分析了来流空化数为0.83,来流攻角为8°,射流位置距水翼前缘为x=0.19c时,主动射流对于水翼吸力面上流动的空化特性和水动力特性影响.对回射流的强度进行了量化分析,以探究回射流与流场空化特性的关系.数值分析结果表明,在射流水翼吸力面上的时均空泡体积为原始水翼的1/15,使得流场内空化流动由云空化状态转变为较为稳定的片空化状态,显著地削弱了云空化的发展.此外,射流极大地改善了水翼的水动力性能,使得水翼的升阻比较原始水翼提高了22.9%,空泡的脱落频率减少了26.2%,空泡脱落所引起的振幅减小了9.1%.射流大幅降低了水翼吸力面上低压区面积,水翼吸力面上流体的逆向压力减小,回射流强度降低;同时,射流使水翼吸力面上的边界层减薄,增强了流动的抗逆压梯度能力,一定程度上阻挡了回射流向水翼前缘的流动,这也从机理上分析了主动射流抑制空化的原因.      

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.      

非稳态沙波纹流场的数值模拟

风成沙波纹是沙质地表在风力作用下形成的最基本的地貌类型.本文研究了沙波纹在形成过程中,风场对波纹的形态变化的响应.采用目前比较流行的有限体积法,通过求解非稳态情况下的Navier-Stokes方程来计算风场;地表形态采用阶梯网格进行逼近,为了对地表形态变化进行有效的控制,根据相关参数采用正弦函数作为沙波纹的基本形状;最后根据计算结果详细讨论了沙波纹从形成到稳定的发展过程中地表流场的行为变化特征.     

环状密封转子动力系数的数值计算

本文以Ｈｉｒｓ紊流润滑方程为基础，应用摄动分析法及数值计算获得了有限长环状密封的转子动力系数，模型中考虑了人口预旋的影响。通过与实验及用有限差分法获得的结果比较，证明本文提出的方法具有一定的实用性。     

端面微形体对液体润滑机械密封性能的影响

针对等深(高)凹(凸)微形体端面液体润滑机械密封,采用有限元法求解等温及层流不可压缩二维Reynolds方程研究了在端面开启力与闭合力平衡的状态下,圆形、正方形、六边形和三角形等不同凹(凸)微形体端面机械密封的平均液膜厚度、摩擦扭矩、液膜刚度和泄漏量等密封参数随微形体面积比的变化规律,并比较了"凹"、"凸"2种微形体端面机械密封的性能.结果表明:微形体面积比对密封性能影响较大,且"凸"微形体端面密封的性能参数所受影响较"凹"微形体密封大;在相同工况和面积比条件下,"凹"微形体端面密封的综合性能优于"凸"微形体端面密封.     

不同设计参数下螺旋槽径向液体润滑轴承油膜稳定性的比较计算

采用Ｇａｌｅｒｋｉｎ有限元法求解油膜压力的雷诺方程和扰动压力的摄动方程,并分析了螺旋槽径向液体润滑轴承的动态性能。采用逐步修正的迭代法实现正压力区和油膜破裂区交界处的雷诺边界条件。在不同参数下比较了螺旋槽轴承油膜不产生涡动的转轴临界质量Ｍｃ,并进行了参数的比较计算,发现合理地选择参数可以得到良好的油膜稳定性,甚至可达到绝对稳定。     

螺旋槽端面微间隙高速气流润滑密封特性

考虑入口气流压力损失和出口阻塞效应,建立了微间隙端面高速气体润滑密封分析数学模型,对螺旋槽端面微间隙高速气流润滑密封特性进行研究.重点分析了不同密封间隙、密封压力和转速等工况条件下,入口压力损失和出口阻塞效应对开启力、泄漏率及气膜刚度等密封特性参数的影响规律.结果表明:高速气体阻塞效应使出口压力高于环境压力,压力损失使入口气膜压力下降,导致泄漏率和气膜刚度明显下降,并使开启力增加.随着密封压力和密封间隙的增加,阻塞效应增强,导致泄漏率和气膜刚度显著降低.密封压力10 MPa时,泄漏率降低可达20%,气膜刚度的下降可达30%以上.     

Implementation of slip boundary conditions in the finite volume method: new techniques

Two different techniques for the implementation of the linear and nonlinear slip boundary conditions into a finite volume method based numerical code are presented. For the linear Navier slip boundary condition, an implicit implementation in the system of equations is carried out for which there is no need for any relaxation, especially when handling high slip coefficients. For three different nonlinear slip boundary conditions, two different methods are devised, one based on solving a transcendental equation for the boundary and the other on the linearization of the slip law. For assessment purposes, comparison is made between these new methods and the usual iterative process. With these new methods, the convergence difficulties, typical of the iterative procedure, are eliminated, and for some of the test cases, the convergence rate even increased with the slip velocity. The details of these implementations are given first for a simple geometry using orthogonal meshes and Cartesian coordinates followed by their generalization to non‐Cartesian coordinates and nonorthogonal meshes. The developed code was tested in the benchmark slip‐stick and 4:1 contraction flows, evidencing the robustness of the proposed procedures. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

瞬态空化泡演变过程的数值模拟

采用边界积分方程方法，对无粘流体中三个空化泡以及自由面附近二个空化泡相互作用的演变过程进行了数值模拟。计算中边界用二阶有限元离散，影响系数矩阵非对角线元素用六点高斯数值积分方法计算，对第一类、第二类完全椭圆积分用高次多项式近似，对计算系数矩阵对角线元素中遇到的奇异积分进行了特殊处理。结果表明，在不同的给定参数下，空化泡的溃灭形态各异，柱状射流和环形射流都有可能发生，使空化泡演变成双泡或环形泡。     

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.     

振动台模型试验中地基土域的数值模拟

针对土－结构动力相互作用振动台模型试验中有限地基土域的模拟问题，本文分别采用有限元法和边界元法对地基土模型的侧向人工边界和底部人工边界的合理位置问题进行了计算分析。文中首先采用三维有限元方法，探讨了地基土侧向垂直人工边界不同位置对群桩基础和箱形基础地震反应的影响，提出了侧向人工边界合理位置的具体建议；然后利用层土动力Green函数建立边界元模型，通过对埋入式条形基础的动力反应分析，探讨了底部水平人工边界的合理位置，提出了相应的建议。     

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.