机械密封流体润滑稳定流动场的数值模拟

　　机械密封是石油化工产品的生产和运输中常用的密封装置。机械密封利用动环高速旋转产生的流体动压来分离动、静环,从而可实现非接触密封。在工作中,由于动静环发生的热变形和机械变形,导致密封介质的泄漏,污染环境。泄漏量的大小直接影响着该装置的性能,机械密封的防漏问题倍受关注。为此,国内外学者做了大量的研究工作,文献[1]用CFD软件对一元流动进行了数值模拟,文献[2]提出机械密封的动态特性参数的表达式和计算方法,文献[3]利用fluid软件对机械密封腔内流场和温度场进行了数值模拟;文献[4]对机械密封流场和热行为进行了实验研究。本文利用ANSYS有限元软件不仅对机械密封流场的速度场和压力场进行了分析,而且对泄漏量作了计算,在工作中具有实际意义。

　　1　机械密封端面间隙流场的边值问题

　　1.1　控制微分方程

　　端面间隙由于热变形和机械变形而成为楔形间隙,其间流体流动控制方程的建立是做了以下几点假设:

　　a.属于牛顿流体,即符合牛顿粘性定律;

　　b.流体膜中的流动为层流;

　　c.与粘性力和压力相比,流体的惯性力和体力可以忽略;

　　d.认为压力和粘度沿膜厚方向不变,即 p y=0, u / y=0;

　　e.过程稳态。

　　由以上假设可以得到间隙中流体流动的二维控制方程,即雷诺方程:

　　1.2　泄漏量的计算

　　式中　ν———出口端流体的速度;

　　A———出口端面的横截面积。

　　2　边值问题的数值求解

　　2.1　建立几何模型,划分网格

　　利用ANSYS软件的前处理程序PREP7,经过单元类型选择、流体参数的确定、几何建模、单元生成等步骤,建立流动场的有限元分析模型,并对有限元的模型进行网格划分。本文采用2D. flu-id141的单元类型自底向上的建模方法建立有限元模型,共有306节点, 250个单元。由于液膜厚度的数量级是微米,为了便于清楚地表达和建模,本文将此扩大10倍。有限元模型网格图如图1所示。

　　2.2　加载和求解

　　通过定义分析类型、分析选向、载荷数据和载荷步选项,然后开始有限元求解。添加载荷数据后ANSYS软件将自动求解,并将结果保存在文件中。

　　2.3　后处理

　　可以通过友好的用户图形界面获得求解过程的计算结果,并对这些结果进行运算。这些计算结果包括速度、压力等,输出形式有图形显示和数据列表两种。后处理访问数据的方法有两种:一是通用后处理器post1检查整个模型或模型的某一部分中任意一个特定数据集的结果;二是时间历程后处理器post26,跨多个数据集检查选择的部分模型数据。由于本文分析稳态层流的流场,所以采用第一种后处理方法。