Page 105 - 《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 371

40 40 0.40 70 30 40 v a F 0.30 60
Axial velocity, v a /(m/s) 30 Opening force, F/kN 30 v a F 0.30 Leakage rate, Q/(m 3 /h) 50 Radial velocity, v r /(m/s) Axial velocity, v a /(m/s) 20 Opening force, F/kN 30 0.20 Leakage rate, Q/(m 3 /h) 40 Radial velocity, v r /(m/s)
35
35
60
0.35
0.25
50
25
Q
v r
25
25
0.25
40
20
20
0.15
20
30
15
0.20
30
15
15
0.15
0.10
20
10
20
10
10
0.05
0 10 5 0 v r Q 0.10 10 5 0 5 0 0.05 10
0
0.00
0
0.00
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
4
4
Rotation speed, N×10 /(r/min) Rotation speed, N×10 /(r/min)
(a) h=3 μm -Laminar (b) h=3 μm -Turbulent
50 30 0.5 100 70 30 0.4 60
Axial velocity, v a /(m/s) 30 Opening force, F/kN 20 v a F 0.3 Leakage rate, Q/(m 3 /h) 60 Radial velocity, v r /(m/s) Axial velocity, v a /(m/s) 50 Opening force, F/kN 20 v a F 0.3 Radial velocity, v r /(m 3 /s) 40 Radial velocity, v r /(m/s)
60
50
25
25
40
80
0.4
40
15
0.2
15
30
30
40
0.2
20
10
10
20
20
10
0
0.0
0 5 0 v r Q 0.1 20 10 0 5 0 v r Q 0.1 10
0
0.0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
4
4
Rotation speed, N×10 /(r/min) Rotation speed, N×10 /(r/min)
(c) h=4 μm -Laminar (d) h=4 μm -Turbulent
70 30 1.0 120 100 30 0.6 70
Axial velocity, v a /(m/s) 50 Opening force, F/kN 20 v a F 0.6 Leakage rate, Q/(m 3 /h) 80 Radial velocity, v r /(m/s) Axial velocity, v a /(m/s) 60 Opening force, F/kN 20 v a F 0.4 Radial velocity, v r /(m 3 /s) 50 Radial velocity, v r /(m/s)
60
60
25
0.5
25
100
0.8
80
40
40
60
15
15
0.3
30
30
0.4
40
0.2
10
40
10
20
20
10
0
0.0
0 5 0 v r Q 0.2 20 20 0 5 0 v r Q 0.1 10
0.0
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
4
4
Rotation speed, N×10 /(r/min) Rotation speed, N×10 /(r/min)
(e) h=5 μm -Laminar (f) h=5 μm -Turbulent

Fig. 6 Comparative analysis of macroscopic performance parameters and mesoscopic velocity components at
different rotating speeds
图 6 不同转速下宏观性能参数与介观速度分量的对比分析(P in =2 MPa，h g =4 μm)
二者均呈现随转速升高而增大的趋势. 湍流流态时， 4 旋转流场流态三维判定模型的探索
转速的持续升高使v 迅速升高，在膜厚较大时甚至出
a
4.1 干气密封流场流态的现有判定方法
现了v 突然激增的情形，且突变位置与宏观二次突变 4.1.1 雷诺数判定模型
a
点(开启力二次突变点)一一对应，如图6(d，f)所示. 由
目前，雷诺数(Reynolds number)，表示流场中惯性
上，当v 上升到一定值(突变)时，表明流场中开启力和 力和黏性力的比值，是用来判别黏性流体流动状态的
a
泄漏量也发生了较大程度的波动(可能发生了转捩、
1个无量纲数. 1883年由英国人O. Reynolds研究管道
漩涡等宏观现象，有待后续研究验证)，预示着v 可以 内流体的流动形式而提出，计算公式如下：
a
一定程度反应出流场中开启力的波动情形，可作为流
ρUL
Re = (6)
场中波动情况的表征因子. µ
根据以上分析，基本可以得出以下推论：轴向速 其中：ρ、U、μ分别为流体的密度、流速与黏性系数，
度分量v 对宏观性能参数有较大影响，径向速度分量 L为特征长度. 当流体流过圆形管道时，L为管道的当
a
v 与泄漏量Q密切相关，且为即时、对应的关系；轴向 量直径，利用雷诺数可判别流体的流动是层流还是湍
r
速度分量v 的增大预示着流场中可能出现了干扰或减 流：当雷诺数较小时，黏性力对流场的影响大于惯性
a
弱动压效应的因素，对密封的稳定运行不利. 由此可 力，流场中流速的扰动会因黏性力的有效制约而减
见，轴向速度分量对高速旋转流场流态的分析至关重要. 弱，流体流动稳定，为层流；若雷诺数较大时，黏性力