Page 121 - 《摩擦学学报》2021年第1期

118 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

2.2 数值模型 表 2 网格无关性验证
建立高低齿梳齿密封全三维模型，统一划分成结 Table 2 Grid independent verification

构化网格以提高计算准确性. 由于求解的重点区域主 Leakage flow rate / (kg/s)
4
Number of grids / 10 Steady Relative Transient Relative
要为密封齿腔与齿间间隙，因此，对其进行适当加密
state error state error
处理以满足不同计算区域对精度的要求. 不同网格数 332 1.828 59 0.53% 1.828 36 0.54%
量对密封泄漏量的影响如表2所示，经过网格无关性 420 1.824 47 0.3% 1.823 99 0.3%
504 (Reference) 1.818 94 0% 1.818 62 0%
验证后，稳态及瞬态泄漏量计算结果均不超过0.55%.
因此，最终确定计算网格总数约为332万，图4为计算

网格分布情况.
图5给出了数值计算的关键步骤及求解流程，应

用求解精度较高的ANSYS CFX软件对数值模型进行
计算. 首先进行仅考虑转子自转时的稳态求解；再将
稳态结果作为初始值代入非稳态中计算(即同时考虑
转子自转及转子涡动)，设置转子受力及位移的监测
点；最后基于微元理论方法识别密封动力特性.
表3给出了数值模拟计算工况. 工质为SCO ，为准
2

确计算SCO 真实气体物性参数，本文中生成基于NIST Fig. 4 Grid distribution
2
REFPROP的SCO .rgp(real gas properties)物性文件，供 图 4 计算网格分布
2
计算程序调用. 采用k-ε湍流模型(湍流强度为5%)，固
体壁面采用绝热、光滑且无滑移的壁面. 在进口处设 转子面网格运动轨迹及转子涡动速度(其中，转子涡
置总压、总温，出口设置为平均静压，在边界条件设置 动速度Ω=2πf，f为转子涡动频率). 当转子受力曲线光
中给定转子转速3 600 r/min. 瞬态计算模型采用动网 滑、呈现周期性变化且不同振动周期内对应点的受力
格方法，通过ANSYS CFX中的表达式脚本(CEL)设定 值相差小于0.5%、残差降到10 、进出口流量相差小于
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Full three-dimensional rotary seal
calculation model
GAMBIT

Full three-dimensional rotary seal
calculation grid

ANSYS CFX, Steady state solution Steady state Rotor rotating velocity ω
Steady state results (Initial file for
transient solution )

ANSYS CFX, Transient solution Rotor whirlng Rotor rotating velocity ω and
whirling velocity Ω
Transient solution results

ANSYS CFX, Set the monitors of force and displacement

Transient whirling displacement and fluid-
induced response forces
The identification method based on infinitesimal theory

Dynamic coefficients of seal vs. whirling
frequency

Fig. 5 Flow chart of numerical solution
图 5 数值求解流程图