基于Fluent的螺旋槽上游泵送机械密封三维微间隙流场数值模拟pdf

2012年2月润滑与密封Feb．2012第37卷第2期LUBRICATIONENGINEERINGV01．37No．2UOI：10．3969／j．issn．0254—0150．2012．02．005基于Fluent的螺旋槽上游泵送机械密封三维微间隙流场数值模拟+陈汇龙王强李雯瑜张娟娟(江苏大学能源与动力工程学院江苏镇江212013)摘要：密封端面微间隙液膜特性是上游泵送机械密封性能研究的关键。采用Pro／Ewildfire软件建立参数化螺旋槽上游泵送机械密封端面微间隙液膜几何模型，以清水为工作介质，使用Fluent软件，对跨尺度密封端面微间隙流场进行三维数值模拟，得到开启力及压力分布规律。并与有关测试结果进行对比分析，实验数据与模拟数值基本吻合，表明所采用的模拟方案可对螺旋槽j：游泵送机械密封微间隙三维流场进行较好地描述。该方法可用于密封端面微间隙流场及性能的系统研究；对端面压强分布进行分析，结果表明，在螺旋槽外槽根处存在最大静压，液膜开启力的增大主要来源于槽根产生的最大静压。关键词：上游泵送；机械密封；内流场；三维数值模拟；开启力中图分类号：THl36文献标识码：A文章编号：0254—0150(2012)2—016-4NumericalSimulationof3-DFlowinUpstreamPumpingMechanicalSealswithSpiralGroovesBasedonFluentChenHuilongWangQiangLiWenyuZhangJuanjuan(SchoolofEnergyandPowerEngineering，JiangsuUniversity，ZhenjiangJiangsu212013，China)Abstract：Thecharacteristicofmicro—gapfluidfilmbetweensealfacesisthekeytoresearchtheperformanceofup-streampumpingmechanicalseals．Thenumericalsimulationof3-DflowinupstreampumpingmechanicalsealswithspiralgrooveswasmadebyusingPro／Ewildfiretoconstructparametricmicro-gapgeometricalmodelofsealfaces．ThesimulationwasbasedonFluent，withwaterastheworkingmedium．Openingforceandpressuredistributionwereobtained，thenumeri-calresultswerecomparedwiththeexperimentalresultsintheliteratureandtheyagreewellwitheachother，indicatingthatthe3-DflowfieldofupstreampumpingmechanicalsealswithspiralgroovesCallbedescribedproperlywiththismethod，anditcanbeusedtostudytheflowandperformanceofmicro-gapbetweensealfaces．ThepressuredistributionbetweensealfacesWasanalyzed．Theresultsindicatethatthemoststaticpressurelocatesintheoutrootofspiralgrooveandtheopeningforceincreasesastheincreasingofstaticpressureoftherootofspiralgroove．Keywords：upstreampumping；mechanicalseal；innerflowfield；3-Dnumericalsimulation；openingforce自20世纪70年代美国约翰·克兰公司开发出螺间形成一层很薄的液膜。同时，由于泵送槽产生的剪旋槽气体端面密封以来，非接触密封发展十分迅速，切流抵抗压差流，当剪切流与压差流相等时，密封实并出现了用于液体的上游泵送机械密封。所谓“上现零泄漏。上游泵送机械密封由于密封面间形成了液游泵送”就是通过密封端面上开设的一定形状的泵体膜，改善端面间润滑磨损状态，与普通的接触式机送槽。将密封低压侧缓冲液体或少量的泄漏液体泵送械密封相比，具有介质泄漏量少、端面磨损小、能耗向高压侧，各类泵送槽中以螺旋槽最为典型¨。1。当低、运行寿命长以及维护费用大大降低等优点，从而这种密封运转时，除产生泵送效应外，还会增大密封可广泛适用于泵、压缩机、反应釜等各种旋转机械的间隙内部液体静压力，使动静密封环分离并在密封面轴封卜4|。密封端面微间隙液膜特性与螺旋槽几何造型有密·基金项目：江苏省2011年度普通高校研究生科研创新计划项切的关系，研究内流特性是根据密封和润滑减磨性能目(CXI．．XIl一0580)；江苏高校优势学科建设工程资助项目要求构造与之优化匹配的端面几何造型的关键基础。(苏财教[2011]8号)．收稿日期：20ll一吣一14也是目前动压型机械密封润滑减磨理论研究的热点和作者简介：陈汇龙(196l一)，男，博士，教授，主要从事流体趋势”。1。上游泵送机械密封运行时所产生的微间隙机械密封理论与技术．E．mail：[e-mail]．流场具有其特殊性，即x、l，平面内的几何尺寸多为万方数据2012年第2期陈汇龙等：基于Fluent的螺旋槽上游泵送机械密封三维微问隙流场数值模拟17宏观尺度，而z方向即液膜厚度方向的尺度通常为微米尺度，涉及跨尺度等复杂的流体流动问题，给上游泵送机械密封微间隙液膜流场的数值计算带来困难。目前所采用的方法仅限于使用有限元法求解二维雷诺方程，对上游泵送机械密封微间隙流场进行三维数值模拟的相关文献很少，作者在文献[8]中，对密封间隙内流场的三维数值模拟进行了初步探讨，但尚不完善，对模拟方法的准确性尚未进行深入分析。本文作者基于Fluent构建新的三维模拟方案，对螺旋槽上游泵送机械密封端面微间隙流场进行三维数值模拟，并与有关测试结果进行对比分析，为密封端面微间隙流场及性能的系统研究奠定基础。l几何建模图1示出了典型的螺旋槽上游泵送机械密封端面造型。螺旋槽的型线为对数螺旋线，在极坐标下用如下公式描述：(1e～)，r=FEe。。”4式中：rI为槽根半径；0为转角；a为螺旋角。役N耋rp螺旋《乡＼：—_，，图l螺旋槽上游泵送机械密封动环端面造型FiglRotationalfacegeometryofupstreampumpingmechanicalsealswithspiralgroov部由于密封端面上槽型呈轴对称分布，槽数为以，故选择整个密封端面的1／N。作为计算区域，如图2所示。计算区域由2条圆弧线及2条螺旋线所包围，螺旋型槽区位于整个计算区域的中部。利用Pro／Ewildfire软件，建立参数化螺旋槽上游泵送机械密封微间隙液膜几何模型，其参数如表l所示。表1微间隙几何模型参数Table1Geometricparameterofmicrogap螺旋槽内半径rI槽径比口螺旋角a槽深h。螺旋槽外半径L微间隙深h。槽根半径‘槽数Ⅳ|槽宽比72网格划分与计算模型由螺旋线和圆弧线围成的计算区域存在较大钝角，对整体进行结构性网格划分并不适宜，故面网格划分采用quad(四角形)单元方案，网格类型采用Pave(非结构网格)对模型垂直厚度方向的2个面分别进行划分。由于膜厚方向不存在面的变化，因此直接采用Cooper方法生成六面体网格。对其生成的tm文件进行网格数量和边界条件等修改，通过gambit读取，可生成其他相应模型，从而大大提高网格划分效率。如图3所示，计算区域分为2部分：螺旋槽液体和动静环之间微间隙液体。螺旋槽液体使用MovingReferenceFrame。给定旋转角速度值；微间隙液体采用默认设置；动环端面、槽的3个侧面及槽端面均为旋转运动壁面，静环端面为默认设置。进口压力等于密封介质压力，出口压力等于大气压力。周期性边界条件为旋转型，即满足：r咖(r，0。，：)=咖(r，05，：)(2)to．=oo+2．tr／N,(3)压力入口旋转运动壁面旋槽液体＼徽问廉液螺二器／／／／徽问廉液体旦塑丝垄墨旋转运动壁面√嚣旋转运鲴动壁＼面、囟竺翌幽旦竺2图3计算区域与边界条件Fig3Computationalzoneandboundaryconditions图2计算区域视图Fig2Viewsofcomputationalzo∞由于机械密封端面问的液膜厚度只有微米级，因此在研究液膜内部流动特性时，需要对端面的摩擦状万方数据18润滑与密封第37卷态和流动状态进行判断。参照文献[9]，用相对膜㈩、7al’i。a戈fa戈ii厚法来判断机械密封端面的摩擦状态，相对膜厚f定詈+匕券～FiOx篙POx+y最义如下：压力与速度的耦合采用SIMPLEC算法，亚松弛LL迭代求解。f=兰兰=；(4)L耳，‘。：2■=i=亏。√盯1‘+口23算例与比较分析式中：h为平均膜厚，I．Lm；盯。、tlr2为两密封环表面为了便于比较分析，本文作者对文献[11]中粗糙度的均方根偏差，I．Lm。不同液膜厚度的螺旋槽上游泵送机械密封工况进行了当f≥3时，为液体摩擦状态；当lf3时，三维数值模拟。该文献中几何参数与工况参数如表2为混合摩擦状态；当f1时，处于边界摩擦状态；所示，不同工况下密封面间液膜厚度如表3所示。／-O．4时处于干摩擦状态。根据《机械密封技术条件》(JB4127-85)，金属表2几何参数与工况参数(硬质)材料端面粗糙度不低于0．2斗m，非金属材料Table2Geometricparametersandoperationparameters端面的粗糙度不低于0．4¨m，而通常浅槽的深度为3—10斗m。本文中，h为2．5—5．5岬，所用机械密封的相对膜厚f为5．6一12．3，为液体摩擦状态，能够形成稳定液膜。对于稳定液膜的流动状态判断，作者参照文献[10]，用流动因子孝来确定其所处的流动状态，流动因子f定义如下：(5)地=畿(6)表3不同转速和压力下密封面间液膜厚lep瓮7nLble3Thethicknessoffluidfilmbetweenseal(7)facesatdifferentspeedandpressure式中：Re。为单独考虑Couette流动时的雷诺数；Re。转速凡／膜厚∥“m(r·min。1)0．1MPa0．2MPa0．3MPa0．4MPa0．5MPa为单独考虑Poiseuille流动时的雷诺数；p为液膜密度，ks／m3；U为端面旋转线速度，m／s；弘为液膜的动力黏度；口，为半径为r处线速度，m／s。亭l时，处于层流状态；亭1时，处于湍流状态。密封介质为常温水时，假定转速，l=10000r／rain，则Re。约为0．3；由于径向泄漏微小，Re。《900；因此，得到流动因子孝1，即密封端面间的液体处于层流流动状态。微流动固体壁面会产生边界滑移，由于滑移量难以确定，所以，本计算的固体壁面采用无滑移条件，根据文献[11]中的压差、弹簧力及平衡系数采用参考坐标系法模拟动静环之间的相互运动。可以计算出密封闭合力，在非接触稳定运转状态下，本文假定流体为连续介质，应用Fluent三维流动闭合力等于液膜开启力，故得到图4中文献开启力。求解器对螺旋槽上游泵送机械密封微间隙液膜的流动通过对三维微间隙的数值模拟，得到液膜静压分布，进行数值模拟，控制方程为：并由下式计算得到液膜开启力：连续性方程：W=＼＼pdA(10)_Oui：0(8)o石i式中：cL4为密封端面微元面积；P为微元面积所对应动量方程：的端面静压。万方数据2012年第2期陈汇龙等：基于Fluent的螺旋槽上游泵送机械密