Page 101 - 《摩擦学学报》2020年第3期

第 3 期 王衍, 等: 干气密封旋转流场的宏观特性与介观速度场的逻辑关系研究 367

表 2 计算参数 在Fluent中，湍流模型的选择首先需要在Viscous
Table 2 Numerical simulation parameters Model中选择k-epsilon(2 eqn)，将默认的Standard模式

Parameters Specification
改为RNG模式，其他参数设置及常数定义选择默认值
Outer radius of the seal ring，r o /mm 77.78
即可.
Root radius of the seal ring，r g /mm 69
[36]
开启力的计算 ：
Inner radius of the seal ring，r i /mm 58.42
Width ratio of the groove to the ridge，κ 1 ∫ 2π ∫ r o ∫ π/6 ∫ r o
Groove depth，h g /μm 2~10 F o = prdrdθ = N g prdrdθ (4)
0 r i 0 r i
Film thickness，h/μm 2~10
[37]
Medium Ideal gas 泄漏量的计算 ：
Inlet pressure，P in /MPa 0.5，1~4 ∫ 2π ∫ h ∫ π/6 ∫ h
Outlet pressure，P out /MPa 0.101 3 Q = vrdzdθ = N g vrdzdθ (5)
4
Rotation speed，N×10 /(r/min) 1~10 0 0 0 0
12
Spiral groove number，N g
3 仿真结果分析
Helix angle，α/(°) 15
3.1 仿真方法验证
图3所示为不同膜厚下湍流和层流两种流态的压
力分布图. 由图3可以看出，在螺旋槽尖端出现了高压
的集聚区域，膜厚越小，螺旋槽压力峰值越大，微尺度
流场的动压效果越好，这与干气密封的现有理论是相
符的. 由图3可以进一步看出，不同膜厚下，湍流时的
最大开启力均略高于层流.
为验证仿真计算的正确性，选择螺旋槽干气密封
的相关经典文献 进行同参数下的验证计算，以开
[18，38]
Fig. 2 Mesh generation
图 2 网格生成 启力F 为目标参数，对比结果列于表3中.
o
由表3可以看出，三种不同膜厚时，本文计算方法
边界条件的设置主要有两类. 一是强制性压力边
得到的开启力与文献值符合较好，最大误差均在
[31]
界条件 ：密封环槽外径入口r 处为被密封区域高压 3%以内，随膜厚的变化趋势与文献中也较接近，可以
o
侧，压力值可变，用P 表示；槽型内径出口r 处为环境 验证本文计算方法和参数设置的正确性.
out
i
区域低压侧，为恒定的大气压，用P 表示. 另一种是计
in 3.2 宏观特性分析
[32]
算区域内的周期性边界条件 ：结合图1(b)所示，对称
在进行干气密封高速下的宏观特性分析时，选择
边界Γ 和Γ 上的压力处处相等：p|Γ =p|Γ ，即p(θ+2π/
1 2 1 2 开启力和泄漏量作为干气密封宏观特性的表征量，课
N )=p(θ). 同时基于质量流量守恒原理，通过对称边界 题组的最新研究表明 ：类似于气浮轴承的微振动现
[22]
g
Γ 和Γ 上的质量流量也应该是相等的，即有q|Γ =q|Γ . 象，干气密封会出现疑似受气体压力波动流影响的扰
1
2
2
1
2.3 流态选择及性能参数计算 流、波动现象—开启力、泄漏量与转速的非正相关变
为深入研究微尺度流场的内在变化规律，在不确 化，尤其在高压、大膜厚和小槽深时的扰流效应愈加
定干气密封旋转流场具体流态形式时，分别选择层流 显著. 且在转速持续增大过程中，干气密封微尺度流
和湍流两种流态进行分析 [33-34] . 层流模型选择Laminar， 场会出现二次突变点现象. 需要指出的是，针对流场
湍 流 模 型 选 用 RNG k-ɛ湍 流 模 型 ， 此 模 型 是 由 中出现的宏观性能参数(开启力和泄漏量)的波动情
Yakhot及Orzag 建立的，是一种适用于低雷诺数的湍 形，同时基于气膜系统的失稳机理方面的研究，许多
[35]
流模型： 学者的研究成果 [39-43] 表明这是由于流场中气体流态的
[ ]
∂(ρk) ∂(ρku i ) ∂ ∂k 改变造成的. 鉴于此，选择认为干气密封宏观性能参
+ = α k u eff +G k +ρε (2)
∂t ∂x i ∂x j ∂x j 数出现波动时即表明此时的流场流态已发生改变，即
[ ] 此时已发生了流场的转捩现象.
∗
∂(ρk) ∂(ρεu i ) ∂ ∂k C 1ε ε 2
+ = α k u eff + G k +C 2ε ρ
∂t ∂x i ∂x j ∂x j k k 本文作者结合两种流态形式，在不同膜厚下作了
(3) 进一步分析，结果如图4所示，开启力随膜厚增大而减