为揭示航空发动机轴承腔内润滑油与加压气流形成复杂两相润滑状态下的柱面流体动压密封性能,基于两相流Mixture模型,研究气液两相介质柱面螺旋槽流体动压密封稳态性能,分析操作参数和结构参数对动压密封性能的影响。结果表明:在同样工况参数下,气液两相下柱面流体动压密封具有较好的动压效应;转速、压差以及液气比的增大均有利于提高柱面流体动压密封的浮升力,而浮升力随螺旋角和槽深的增大逐渐减小,随槽数的增大先增大后逐渐趋于稳定;泄漏率随压差、转速的增大而变大,随螺旋角增大先增大后趋于稳定,随槽深的增大逐渐增大,随槽数的增大呈现逐渐减小趋势。

针对航空发动机轴承腔气液两相环境非接触式机械密封启动过程的磨损问题,提出高压侧具有引流槽、可实现零泄漏的润滑密封端面结构。基于雷诺方程建立润滑膜流场分析模型,求解计算具有动压-润滑组合槽的机械密封性能,并与普通螺旋槽机械密封进行了性能对比,讨论高压侧引入润滑槽对液膜厚度、液膜刚度、泄漏率以及摩擦性能的影响规律,通过高速性能试验及摩擦磨损试验验证计算的准确性和端面的减磨效果。端面结构在低速阶段的接触摩擦试验显示,具有组合槽的密封端面在相同的启停工况下端面摩擦因数可以有效降低50%~75%,高速性能试验结果显示,具有组合槽和仅有动压槽的机械密封在工况范围内均能保持理想的负泄漏率,说明气液两相润滑机械密封能够在工作环境中处于理想的泵送状态,实现了对润滑油的绝对密封效果。外侧深槽与动压浅槽组合

针对一定液气比(0.15)、一定工况下气液两相动压密封,利用几何软件SolidWorks建模,在ICEM中划分结构化网格,将计算域导入Fluent计算,分析了槽形结构参数(槽深、气膜厚度、槽数)对密封性能的影响。结果表明:动压密封的气体泄漏量和液体泄漏量都随着槽深的增大先增大后减小,开启力、流体膜刚度都随着槽深的增大而增大;动压密封的气体泄漏量和液体泄漏量都随着气膜厚度的增大而增大,开启力随着气膜厚度的增大而增大,流体膜刚度随着气膜厚度的增大而减小;动压密封的气体泄漏量、液体泄漏量、开启力、流体膜刚度都随着槽数的增大而增大。

针对一定液气比(0.15)、一定工况下气液两相动压密封,利用几何软件SolidWorks建模,在ICEM中划分结构化网格,将计算域导入Fluent计算,分析螺旋角对密封性能的影响。结果表明:动压密封的气体泄漏量随着螺旋角的增大先增大后减小,螺旋角22°时存在最大气体泄漏量;液体泄漏量随着螺旋角的增大先减小后增大,螺旋角20°时存在最小液体泄漏量。开启力、流体膜刚度都随着螺旋角的增大而减小。

为揭示液相黏度对混输泵内气液两相的分布规律的影响机制,以三级油气混输泵为研究对象,选取油、气两相作为运输介质。基于ANSYS Fluent软件对泵内两相流态进行数值模拟,分析和总结不同液相黏度下气液两相分布规律。结果表明:液相黏度越小对油气混输泵内气相体积分布影响越大;随着液相黏度的增大,沿着泵流向方向的气相体积分数脉动减小;随着液相黏度的变化,泵内液相分布与气相分布位置刚好相反,并且当介质为重质油时,在泵内0.9倍叶高处叶轮出口开始出现液相聚集现象;液相黏度的增加对于油气混输泵内气相分布的均匀性具有改善作用。研究结果可为油气混输泵的结构优化和性能改善提供参考。

为了进一步探究低比转速离心泵内气液两相分布规律及旋涡产生机制,基于ANSYS CFX计算软件对不同进口含气率工况下离心泵内全流道流动进行计算,分析气相分布规律以及旋涡产生位置,总结含气率对泵内流态的影响。研究结果表明:随着进口含气率的增加,叶轮内压力梯度变大,同时蜗壳出口高压区面积增大,并且叶轮进口低压区逐渐消失;当进口含气率为10%时,叶轮进口区出现了较为明显的气液不均匀现象。此外还发现气相聚集主要发生在叶片压力面,同时气相聚集区正好对应旋涡区,并且随着含气率的增加,泵的做功能力变差。研究结果可为离心泵水力设计和结构优化提供参考。

为了研究管道系统严重段塞流的瞬态特性,以下倾管-立管系统为建模对象,建立了气液两相严重段塞流的一维数值模型。该模型基于分层流理论和分相流理论,分别对严重段塞流的四个阶段(液塞形成、液塞流出、液气喷发和液体回流)进行理论建模。模型的仿真结果与文献中的实验数据相对误差在10%以内,验证了该理论模型的有效性。在此基础上,对严重段塞流现象进行了数值仿真,并分析了气液折算速度对严重段塞流瞬态特性的影响。结果表明下倾管-立管系统严重段塞流现象具有明显的周期特性,并且周期随着气相折算速度的增大而减小;立管底部压力波动幅值随着气相折算速度的增大而增大。研究结果可为管路系统的设计和振动预防提供参考。

利用ANSYSCFD软件对基于泵反转的液力透平进行了全三维定常和非定常数值计算,研究了变工况下气液两相液力透平内的气体分布、压力脉动、速度矩分布以及水力损失等性能。对不同工况进行的计算结果表明:小流量工况和最优工况时蜗壳、叶轮内的相对平均静压力和主频振幅都随着含气率的增加而减小;大流量工况稍有不同。蜗壳出口的速度矩呈阶跃分布,阶跃个数与叶轮叶片数相同,同一工况含气率对速度矩的影响不大;高含量率时透平叶轮出口气体出现聚集现象,含气率越高,流动过程中的水力损失越大。本文对研究气液两相介质下的液力透平性能具有一定的参考意义。