Page 99 - 《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 365

parameters of macroscopic property characterization. The shear (circumferential), radial and axial velocity components
were used to give mesoscopic description of the velocity field. Fluent software was used to simulate and calculate the
macro and mesoscopic parameters of large-span rotation speed (from low to ultra-high rotational speed), and the internal
logical relationship between sealing performance parameters and velocity field was studied. The results showed that the
axial velocity component in the low-speed rotational flow field was small and negligible, but the increase of rotation
speed caused the axial velocity component to increase continuously. And when the rotational speed increased and
exceeded a critical value, the axial velocity component increased rapidly. The variation of the axial velocity component
was closely related to the fluctuation of the micro-scale flow field (the opening force and leakage). It is a key parameter
that affected the flow pattern of rotating flow field and a main factor that caused the change of macroscopic flow field
characteristics. The variation of the radial velocity component was basically consistent with the variation of the leakage
in the microscale flow field. With the increase of the rotation speed, the macroscopic performance feedback of the
leakage was earlier than the appearance of the opening force fluctuation. Based on the above research and according to
the definition of Reynolds number of pipeline, the flow factor determination model and the basic theory of fluid
mechanics, an ellipsoid determination model based on three-dimensional velocity component for the rotational flow field
was proposed.
Key words: dry gas seal; rotating flow field; flow state; macroscopic characteristics; mesoscopic velocity field

近年来，干气密封(Dry gas seal)技术的迅速发展 封运行中各微尺度流场(压力场、速度场等)的介观特
得益于近代工业，特别是石化、能源、航空和军事工业 性紧密相关. 密封副间压力场的分析研究已涵盖各类
在某些特殊工况下(高速、高温和高精密等)对设备稳 槽型，且已取得了较一致的观点：槽底部的集聚效应
定运行的迫切要求 [1-2] . 其非接触运行时形成的微尺度 是干气密封动压产生的根源. 相对而言，针对密封间
间隙是高速旋转流场的典型代表，随着产品的应用范 隙速度场的分析缺乏较深入的研究，系统开展速度场
围逐渐向高速、高压方向拓展 [3-4] ，科学阐释密封副间 与压力场的内在联系研究以及将介观流场与宏观密
流体的真实流动状态及其与宏观密封性能的作用机 封特性进行关联研究应具有一定的科学意义. 鉴于
制对研究旋转类流场的稳定性至关重要. 此外，干气 此，本文作者基于对介观尺度下气体摩擦状态、连续

密封的密封副间隙只有3~10 μm [5-6] ，属于一种介于宏 性假设的分析讨论，通过对干气密封介观速度场的系
观与微观之间的体系(这里定义为介观场)，在高转速 统研究，同时结合宏观密封性能表现，尝试提出并阐
下进行实验测试或流场分析存在耗费大、操作难、准 释高速旋转流场的宏观特性与介观速度场的内在逻
确性不高等诸多问题，且实验研究受工况条件的限制 辑关系. 以期对科学研究旋转流场的复杂流动机理和
一般转速均在20 000 r/min以下 [7-8] ，仅依靠实验手段进 调控机制提供理论借鉴.

行干气密封系统性分析的能力有限.
1 旋转流场的基础问题
国内外学者主要采用仿真模拟和数值计算的方
法对干气密封进行系统性研究和分析计算，此时对微 1.1 基本假设 [22]
尺度流场流态的分析和假设是计算研究的前提. 目 (1) 密封介质在界面无相对滑动；
前，针对干气密封微尺度流场流态属于层流亦或湍流 (2) 不考虑重力和离心力的作用效果；
仍存在较大争论 [9-13] ，大部分学者选择基于层流流态 (3) 忽略温度和压力对气膜流体黏度的影响；
进行干气密封的分析计算 [14-17] ，而少部分学者 [18-19] 鉴 (4) 忽略超音速时阻塞效应的影响；
于微尺度旋转流场的复杂性和不确定性，选择适宜低 (5) 密封副在运行过程中始终保持平行，除槽底
Re数的湍流模型进行计算求解. 可见，建立1个相对合 面之外的其余表面理论光滑.
理、准确的旋转流场流态的判定模型或方法是正确、 1.2 摩擦状态分析
科学研究干气密封的必要理论基础，也是进行干气密 鉴于干气密封动静环间的气膜只有微米级，因此
封及其类似旋转流场特性计算中亟需解决的1个基础 在研究微尺度旋转流场特性时，首先需要对密封副间
性问题. 的摩擦状态进行判断. 依据文献[23]的方法，采用相对
依据流体力学基本理论、干气密封工作机理及当 膜厚法进行密封副间摩擦状态的判断，相对膜厚ζ的
前研究基础 [20-21] ，干气密封优良特性的宏观表现与密 表达式为