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錐度端面加工有周向波度(Wavy-Tilt-Dam，縮寫(xiě)為WTD)的機(jī)械密封為非接觸式密封形式的一種，被應(yīng)用于核主冷泵等高溫、高壓場(chǎng)合，其端面特有的周向波度和徑向錐度能夠產(chǎn)生流體動(dòng)壓效應(yīng)和靜壓效應(yīng)。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，密封端面間的潤(rùn)滑液膜受粘性剪切作用而生熱，進(jìn)而導(dǎo)致密封環(huán)和潤(rùn)滑液膜的溫度上升，溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑液膜汽化、增加泄漏率等，嚴(yán)重影響密封的安全運(yùn)行。因此，有限元分析深入研究WTD密封端面及液膜溫度場(chǎng)分對(duì)于指導(dǎo)波度密封的工程設(shè)計(jì)具有重要意義。
CHLi等假設(shè)密封環(huán)端面間潤(rùn)滑液膜物理性質(zhì)不發(fā)生改變，計(jì)算了潤(rùn)滑液膜和密封環(huán)溫度場(chǎng)，但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，潤(rùn)滑液粘度會(huì)隨著溫度的改變而發(fā)生變化。Lebeck等在理論與實(shí)驗(yàn)上做了大量研究，建立了斜波度機(jī)械密封二維流固耦合模型，并指出對(duì)流換熱為其主要散熱形式，且對(duì)流換熱強(qiáng)度的計(jì)算采用了經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式。
Etsion等建立了機(jī)械密封軸對(duì)稱(chēng)傳熱模型，討論了結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響，但是該模型忽略了潤(rùn)滑液膜在周向方向上的對(duì)流作用，且獲得預(yù)測(cè)結(jié)果在膜厚較大的情況下誤差較大。Tournerie等考慮了動(dòng)靜環(huán)端面傾斜(即一個(gè)波度)的影響，建立了包括密封動(dòng)靜環(huán)和流體膜在內(nèi)的三維熱流固耦合模型，運(yùn)用有限差分法研究了潤(rùn)滑液膜與密封環(huán)之間的傳熱。許漢平等研究了基于JFO空化邊界條件對(duì)波度端面密封性能的影響，但是對(duì)于溫度場(chǎng)沒(méi)有進(jìn)行深入研究。劉偉等同樣建立了WTD端面密封的三維模型，運(yùn)用有限差分法分析了波度端面密封的傳熱及變形機(jī)理。
鑒于以上情況，本文忽略密封環(huán)端面的熱力變形，考慮潤(rùn)滑液膜的空化作用，建立WTD端面密封熱流固耦合三維熱傳導(dǎo)分析模型，采用有限單元法求解廣義雷諾方程、熱傳導(dǎo)方程以及能量方程，研究操作參數(shù)和幾何參數(shù)等對(duì)WTD密封溫度場(chǎng)的影響規(guī)律。
在靜環(huán)端面外周分布有均勻的周向波度和徑向錐度，內(nèi)徑處為平面型密封壩，而動(dòng)環(huán)密封端面為平面。定義壩寬比τ是密封環(huán)壩區(qū)的寬度與密封環(huán)寬度之比。
為便于分析做如下假設(shè)：(1)液膜處于熱穩(wěn)定狀態(tài)，其比熱cF以及熱傳導(dǎo)系數(shù)kF均與溫度無(wú)關(guān)；(2)密封環(huán)間介質(zhì)為Newton流體，滿(mǎn)足牛頓粘性剪切定律；(3)密封流體在密封端面處無(wú)滑移，并保持層流狀態(tài)。
密封端面潤(rùn)滑液膜的流動(dòng)情況由考慮液膜空化作用的經(jīng)典廣義Reynolds方程獲得。
當(dāng)動(dòng)靜環(huán)相對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，端面間的潤(rùn)滑液膜受到動(dòng)環(huán)的粘性剪切作用而生熱，其中一部分熱量被潤(rùn)滑液膜本身所吸收，并隨泄漏液體帶出密封間隙，剩余的熱量則通過(guò)端面向動(dòng)靜環(huán)內(nèi)部傳導(dǎo)，并經(jīng)由對(duì)流換熱作用向密封介質(zhì)散發(fā)。對(duì)于潤(rùn)滑液膜，采用跨膜厚的平均能量方
程，其基本思想為假設(shè)潤(rùn)滑液膜溫度為液膜厚度的四階多項(xiàng)式分布，通過(guò)確定多項(xiàng)式的系數(shù)最終獲得液膜的溫度場(chǎng)。
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