流体密封的理论基础.ppt

1,第 二 章 流体密封的理论基础,2,Main Content,2-1 密封流体力学2-2 密封摩擦学2-3 研究课题介绍,3,2-1 密封流体力学,一.流动状态1.层流与紊流 雷诺数就是表征流体流动特性的一个重要参数，表示的为流体流动的惯性力和粘性力之比。如果粗糙面较为粗糙，特别当密封面开槽时，在雷诺数小于临界雷诺数500-1000时，流动很快变成紊流。对于雷诺数作如下估计：对轴径的要求，取其上限值120mm，密度1.0/m3，粘度1.8610-5Pas，间隙3m，当转速分别为10000 r/min 和100000r/min时，相应的雷诺数分别为10和100。所以气体的流动为层流，可忽略惯性力的影响。,4,一.流动状态,2.分子流与粘性流 由于在螺旋槽干气密封摩擦副之间的气体润滑膜相当薄，只有微米级，因此在研究气膜的流动特性时，需要判别其是否符合连续介质假设条件。为此，引入一个确定连续介质假设适用范围的判据。此判据就是克努森准则（Knuden）。克努森准则的定义是：气体分子平均自由程与所研究问题中物体的特征尺寸之比，即:Kn=l/h 当Kn0.01时，流动为粘性流；当Kn1时，流动为分子流；当0.01Kn1时，气体流动处于过渡流区域。空气的平均自由程为0.069m,气膜厚度通常为35m,因而空气在干气密封流动为过渡流。,5,二.流动方程,1.连续性方程 稳 态 2.N-S方程的一般式：直角坐标系简化N-S方程：,6,二.流动方程,3.直角坐标系瞬态雷诺方程 无量纲柱坐标瞬态雷诺方程 无量纲柱坐标稳态雷诺方程,7,二.流动方程,4.RNG 湍流模型,8,三.方程求解,1.专业软件计算法（CFD）CFD数值模拟实质是把描述流体运动的连续介质数学模型离散为大型代数方程组，建立可以在计算机上求解的算法，从而获得问题所需的解。主要的数值方法有：有限差分法、有限元法和边界元法，近年来有限体积法亦成为一种被广泛采用的数值方法。求解思路：确定流动模型：层流或湍流；选择计算模型和确定边界条件；建立几何模型划分网格；选择求解方法；输出结果处理与分析。,9,三.方程求解,2.C语言编程计算法 求解思路：建立流体动力学模型；建立流动数学模型（控制方程和边界条件）；利用差分法或有限元法将偏微分方程化为线性方程组；确定编程计算流程框图；依据流程框图利用C语言编程计算；输出结果处理与分析。,10,三.方程求解,3.近似解析法求解思路:建立非线性偏微分雷诺方程；应用PH线性化方法，将非线性偏微分雷诺方程转化为线性偏微分方程；引入复函数分离变量将线性偏微分方程变为两个线性实常数微分方程组；采用小参数迭代法求解线性实常数微分方程；近似求得螺旋槽内气体动压分布的解析解。,11,11,2-2 密封摩擦学,一.摩擦状态和机理,12,12,12,一.摩擦状态和机理,边界摩擦状态时摩擦力主要由固体摩擦力和边界膜摩擦力两部分组成；混合摩擦状态时摩擦力由固体摩擦力、边界膜摩擦力和流体内摩擦力三部分组成；流体摩擦状态时摩擦力主要是流体内摩擦力。流体摩擦力边界摩擦力固体摩擦力;摩擦系数有：f流 f混f边;磨损量有：流混边。,13,13,二.流体动压润滑理论,流体动压润滑又叫做流体动力润滑，它是利用流体的粘附性使流体粘附在摩擦表面，并在摩擦副做相对运动时带入两摩擦表面之间，当两表面形成收敛的楔形间隙时，会产生一定的流体动压力，从而将两摩擦表面分隔开来，保持两摩擦表面非接触，达到降低摩擦阻力、减少表面磨损的目的。产生流体动压效应的类型(1)密封面由于局部压力及热变形产生楔效应，从而产生流 体动压力；(2)密封面加工成各种形状浅流槽（如矩形槽、圆弧槽、螺旋槽和人字槽等）而产生流体动压力；(3)由对中误差或角度误差而产生流体动压力；(4)由密封面的微观表面粗糙度而产生流体动压力。,14,二.流体动压润滑理论,产生流体动压效应的密封面流槽形状,(a)矩形槽；(b)外圆弧槽；(c)内圆弧槽(d)外螺旋槽；(e)内螺旋槽；(f)人字槽,15,三.混合摩擦弹性流体动力润滑理论,流体修正雷诺二维控制方程 液膜的几何模型 粘度方程 密度方程弹性接触力模型轴向平衡力方程,16,2-3 研究课题介绍,1.基于弹性微极流体润滑理论的机械密封混合摩 擦研究 2.干气密封槽内润滑气膜流动场的数值模拟3.干气密封螺旋槽润滑气膜的稳、动态特性研究,