第二章流体密封的理论基础精选文档.ppt

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1、第二章流体密封的理论基础第二章流体密封的理论基础本讲稿第一页，共十六页2Main Contentn n2-1 密封流体力学密封流体力学n n2-2 密封摩擦学密封摩擦学n n2-3 研究课题介绍研究课题介绍本讲稿第二页，共十六页32-1 密封流体力学密封流体力学一一.流动状态流动状态1.1.层流与紊流层流与紊流 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。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临界雷诺数5

2、00-1000时，流动很快变成紊流。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，取其上限值对于雷诺数作如下估计：对轴径的要求，取其上限值120mm120mm，密度，密度1.0/m3，粘度，粘度1.8610-5Pas，间隙，间隙3m，当转速分别为，当转速分别为10000 r/min 和和100000r/min时，相应的雷诺数分别为时，相应的雷诺数分别为1010和和100100。所以气体。所以气体的流动为层流，可忽略惯性力的影响。的流动为层流，可忽略惯性力的影响。本讲稿第三页，共十六页4一一.流动状态流动状态 2.分子流与粘性流分子流与粘性流 由于在螺旋槽干气密封摩擦副之间的气体润滑

3、膜相当薄，只有微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（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，即题中物体的特征尺寸之比，即:Kn=l/h 当当Kn0.01时，流动为粘性流时，流动为粘性流；当当Kn1时，流动

4、为分子流时，流动为分子流；当当0.01Kn1时，气体流动处于过渡流区域时，气体流动处于过渡流区域。空气的平均自由程为空气的平均自由程为0.069m,气膜厚度通常为气膜厚度通常为35m,因因而空气在干气密封流动为过渡流。而空气在干气密封流动为过渡流。本讲稿第四页，共十六页5二二.流动方程流动方程n1.连续性方程连续性方程 n稳稳 态态 n2.N-S方程的一般式：方程的一般式：n直角坐标系简化直角坐标系简化N-S方程：方程：本讲稿第五页，共十六页6二二.流动方程流动方程n3.直角坐标系瞬态雷诺方程直角坐标系瞬态雷诺方程 n无量纲柱坐标瞬态雷诺方程无量纲柱坐标瞬态雷诺方程 n无量纲柱坐标稳态雷诺方程

5、无量纲柱坐标稳态雷诺方程本讲稿第六页，共十六页7二二.流动方程流动方程n4.RNG 湍流模型湍流模型本讲稿第七页，共十六页8三三.方程求解方程求解n n1.1.专业软件计算法（专业软件计算法（专业软件计算法（专业软件计算法（CFDCFD）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数值模拟实质是把描述流体运动的连续介质数学模型数值模拟实质是把描述流体运动的连续介质数学模型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，从离

6、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、有限而获得问题所需的解。主要的数值方法有：有限差分法、有限而获得问题所需的解。主要的数值方法有：有限差分法、有限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。数值方法。数值方法。数值方法。求解思路：求解思路：求解思路：求解思路：n n确定流动模型：层流或湍流；确定

7、流动模型：层流或湍流；确定流动模型：层流或湍流；确定流动模型：层流或湍流；n n选择计算模型和确定边界条件；选择计算模型和确定边界条件；选择计算模型和确定边界条件；选择计算模型和确定边界条件；n n建立几何模型划分网格；建立几何模型划分网格；建立几何模型划分网格；建立几何模型划分网格；n n选择求解方法；选择求解方法；选择求解方法；选择求解方法；n n输出结果处理与分析。输出结果处理与分析。输出结果处理与分析。输出结果处理与分析。本讲稿第八页，共十六页9三三.方程求解方程求解n n2.C2.C语言编程计算法语言编程计算法语言编程计算法语言编程计算法 求解思路：求解思路：求解思路：求解思路：n

8、n建立流体动力学模型；建立流体动力学模型；建立流体动力学模型；建立流体动力学模型；n n建立流动数学模型（控制方程和边界条件）；建立流动数学模型（控制方程和边界条件）；建立流动数学模型（控制方程和边界条件）；建立流动数学模型（控制方程和边界条件）；n n利用差分法或有限元法将偏微分方程化为线性方程组；利用差分法或有限元法将偏微分方程化为线性方程组；利用差分法或有限元法将偏微分方程化为线性方程组；利用差分法或有限元法将偏微分方程化为线性方程组；n n确定编程计算流程框图；确定编程计算流程框图；确定编程计算流程框图；确定编程计算流程框图；n n依据流程框图利用依据流程框图利用依据流程框图利用依据流

9、程框图利用C C语言编程计算；语言编程计算；语言编程计算；语言编程计算；n n输出结果处理与分析输出结果处理与分析输出结果处理与分析输出结果处理与分析 。本讲稿第九页，共十六页10三三.方程求解方程求解n n3.3.近似解析法近似解析法近似解析法近似解析法求解思路求解思路:n建立非线性偏微分雷诺方程；建立非线性偏微分雷诺方程；n应用应用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；方程；n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；方程组；n采用小参数迭代

10、法求解线性实常数微分方程；采用小参数迭代法求解线性实常数微分方程；n近似求得螺旋槽内气体动压分布的解析解。近似求得螺旋槽内气体动压分布的解析解。本讲稿第十页，共十六页11112-2 密封摩擦学密封摩擦学一一.摩擦状态和机理摩擦状态和机理本讲稿第十一页，共十六页121212一一.摩擦状态和机理摩擦状态和机理n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；n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；n流体摩擦状态时摩擦力主要是流体内摩擦力。n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。本讲稿第十二页，共十六页1313

11、二二.流体动压润滑理论流体动压润滑理论n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，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。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产生流体动压效应的类型n(

12、1)密封面由于局部压力及热变形产生楔效应，从而产生流密封面由于局部压力及热变形产生楔效应，从而产生流 体动体动压力；压力；n(2)密封面加工成各种形状浅流槽（如矩形槽、圆弧槽、密封面加工成各种形状浅流槽（如矩形槽、圆弧槽、螺旋槽螺旋槽和人字槽等）而产生流体动压力；和人字槽等）而产生流体动压力；n(3)由对中误差或角度误差而产生流体动压力；由对中误差或角度误差而产生流体动压力；n(4)由密封面的微观表面粗糙度而产生流体动压力。由密封面的微观表面粗糙度而产生流体动压力。本讲稿第十三页，共十六页14二二.流体动压润滑理论流体动压润滑理论n产生流体动压效应的密封面流槽形状产生流体动压效应的密封面流槽形

13、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)人字槽本讲稿第十四页，共十六页15三三.混合摩擦弹性流体动力润滑理论混合摩擦弹性流体动力润滑理论n流体修正雷诺二维控制方程流体修正雷诺二维控制方程 n 液膜的几何模型液膜的几何模型 n粘度方程粘度方程n 密度方程密度方程n弹性接触力模型弹性接触力模型n轴向平衡力方程轴向平衡力方程本讲稿第十五页，共十六页162-3 研究课题介绍研究课题介绍n1.基于弹性微极流体润滑理论的机械密封混合摩基于弹性微极流体润滑理论的机械密封混合摩 擦研擦研究究 n2.干气密封槽内润滑气膜流动场的数值模拟干气密封槽内润滑气膜流动场的数值模拟n3.干气密封螺旋槽润滑气膜的稳、动态特性研究干气密封螺旋槽润滑气膜的稳、动态特性研究本讲稿第十六页，共十六页