Page 132 - 《摩擦学学报》2020年第4期

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公式 对比，发现式(6)的预测误差可控制在5%以内， 献[16]中试验对比的结果，可以看出，模拟的误差不超
因此式(6)可作为对流换热系数的计算式. 表6为与文 过2%，满足精度要求.

表 6 模拟值与文献试验数值对比结果
Table 6 Comparison of simulated values with experimental values
Experimental/K Simulation/K
Rotating speed/(r/min)
Non-textured ring Textured ring Deviation/% Non-textured ring Textured ring Deviation/%
1 800 335.95 330.05 0.84 338.78 334.05 1.2
2 700 347.8 339.98 1.9 354.65 350.08 2.89

3.2 结果分析 环最高降低7 ℃左右. 此外，在端面热量分配方面，通
基于上述几何结构参数和操作条件(n=1 800 r/min)， 过监控热源表面的热量流通，在产热量相同的前提
采用商业软件Fluent对机械密封及密封腔体的温度场 下，普通型机械密封动、静环的热量分配比是51:49，
进行数值模拟，动环外周面无加工织构机械密封即普 而织构型机械密封则是58:42，而通过研究，在静环外
通型机械密封的动、静环和密封腔内介质的温度场如 周面开设织构所带来的的换热效果不及这个程度，其
图6所示. 相对普通环的温降为4.7 ℃. 因此织构的存在致使动
环分配到更多的热量，且热量在密封运行过程中由密

Contours of static temperature (K)
3.33e+02 封腔内流体带走.
3.32e+02
3.30e+02
3.28e+02
3.26e+02 342 End face temperature
curve of non-
3.25e+02 textured ring
3.23e+02 340
3.21e+02
3.19e+02 338
3.18e+02
3.16e+02 336
3.14e+02
3.12e+02 End face temperature/K 334
3.10e+02
3.09e+02 332
3.07e+02 330 0.65
3.05e+02
3.03e+02 X
3.02e+02 328 Ene face temperature
3.00e+02 Z Y 326 curve with cylindrical
2.98e+02 texture ring
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Fig. 6 Temperature distribution of stator and rotator (r-r i )/(r o -r i )
图 6 动、静环的温度场分布
Fig. 7 Comparison of temperature between textured ring end
face and non-textured ring end face at 1 800 r/min
可以看出，在相同半径且距离端面相同轴向尺寸
图 7 1 800 r/min转速下织构环与普通环端面间
的不同密封环温度，动环温度明显低于静环，端面温 温度变化比较
度最高处在密封面中间靠近外径处；相对于动、静环
内较大梯度的温度场，密封腔内流体的温度变化很 图8示出了普通型机械密封和织构型机械密封两
小，只是在接近密封环时才有明显温度变化. 者的速度场分布情况. 可以看出，普通型和织构型密
将图6所示端面上的径向温度数值取出，作端面 封环接触流体的最高速度都接近密封腔的介质出口
温度沿半径方向的变化曲线，如图7所示，其中，红色 速度，由于此处的速度变化大，因此产生的压力差致
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曲线为相同结构尺寸、相同工况下织构型机械密封的 使流场在出口处存在1个回流 ，而在密封腔的介质
端面温度径向变化曲线. 入口附近因结构突变流体产生涡旋. 在织构型密封的
对比结果表明：两种机械密封的端面温度最高点 织构附近，流场中的最大速度点靠近出口，此处的速
均在端面距离内径65%处，这是由于外径处的线速度 度梯度也最大，导致流体与织构面及织构本体产生充
大于内径处的线速度，即摩擦热外径处要大于内径 分接触的现象.
处，而且在密封腔内流场的作用下，密封环外径处一 图9示出了普通型和织构型两种机械密封的动环
部分热量会被带走 . 与相同条件下普通型机械密封 外周面上的Nu数分布. 可以看出，织构型机械密封在
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对比，相同半径处织构密封环的端面温度值要比普通 织构处的Nu数明显大于普通型机械密封相同位置处