Page 133 - 《摩擦学学报》2020年第4期

第 4 期 周宇坤, 等: 机械密封动环外周表面织构换热机理及结构优化 543

Velocity magnitude/(m/s)
4.81e+00
4.57e+00
4.33e+00
4.09e+00
3.85e+00
3.61e+00
3.37e+00
3.12e+00
2.88e+00
2.64e+00
2.40e+00
2.16e+00
1.92e+00
1.68e+00
1.44e+00
1.20e+00
9.61e−01
7.21e−01 X
4.81e−01
2.40e−01 Z
3.85e−05 Y
(a) Velocity vector of non-textured sealing ring

Velocity- Velocity- Velocity-
magnitude/(m/s) magnitude/(m/s) magnitude/(m/s)
6.0 6.0 6.0
5.0 5.0 5.0
4.0 4.0 4.0
3.0 3.0 3.0
2.0 2.0 2.0
1.0 1.0 1.0
0.5 0.5 0.5

(b) Velocity of non-textured sealing ring (c) Velocity of textured sealing ring

Fig. 8 Velocity of non-textured sealing ring and textured sealing ring
图 8 普通密封环和织构密封环的速度场

的Nu数，尤其是在织构与织构之间Nu数更大，且随着 构的截面积是恒等的. 本文中共研究了截面形状分别
织构远离端面该处的Nu数逐渐下降. 表明织构型机械 为圆形、等边三角形、椭圆形、正方形等4种不同形状
密封近动环端面处织构的对流换热能力明显强于远 通过不同摆放下构成的织构. 图10所示在两种不同转
离端面处织构，因此从加工成本和换热构效来看，推 速下对比了上述的织构型和普通型两种机械密封的
荐在近动环端面的外周面而不是动环全部外周面加 动环端面平均温度. 可以看出，在不同转速下，两种机
工织构. 此外，普通型和织构型两种机械密封接近出 械密封的端面平均温度具有相似的变化趋势. 其中，
口处的区域，Nu数均呈现明显提升，这是上述的出口 除普通型机械密封外，换热效果最差的是菱形和正方
回流现象使得密封环与流体间的充分接触概率增加， 形织构，换热效果最好的是其中一种某边平行端面且
且在此处产生了高速流场而导致的. 由于织构的存在 对应的角即顶角位于该边与端面间的等边三角形织
导致外周面Nu数不同的根本原因是织构附近的湍流 构，这种织构型机械密封的端面平均温度要比普通环
动能受织构的影响增大以及涡漩的产生增大了局部 的端面平均温度低7.2 ℃左右. 下面将会对这种等边
雷诺数，并导致换热系数也随之增大，从而影响了 三角形织构展开研究，揭示织构的换热机理.
Nu数. 3.3.2 换热机理分析
3.3 换热机理分析 织构型机械密封动环外周面织构的对流换热机
3.3.1 织构形状 理分为织构内部和织构外部两个部分，从1 800 r/min
织构几何因素对对流换热强度与机理的影响，其 下的流场与温度场着手开展分析研究.
中织构形状是关键因素之一. 在对比研究不同形状织 (1) 织构内部对流换热机理分析
构的影响时采取等体积法. 若设织构深度不变，则织 由图9所示结果可知，织构内部的Nu数要远高于