化工機(jī)械密封腔內(nèi)流場的數(shù)值計(jì)算

孫士鑄，劉德志

（東營職業(yè)學(xué)院，山東 東營 257091）

化工機(jī)械密封腔內(nèi)流場的數(shù)值計(jì)算

孫士鑄，劉德志

（東營職業(yè)學(xué)院，山東 東營 257091）

應(yīng)用軟件FLUENT對化工機(jī)械密封腔內(nèi)流場進(jìn)行了三維數(shù)值計(jì)算，通過求解三維層流N-S方程，得到了由注入冷卻液和密封環(huán)旋轉(zhuǎn)引起的復(fù)雜三維流場特性，應(yīng)用壓力修正方法和SIMPLE算法進(jìn)行計(jì)算，得出流場特性對密封環(huán)冷卻效果的影響規(guī)律。

機(jī)械密封；數(shù)值計(jì)算；流場；FLUENT

機(jī)械密封作為重要的基礎(chǔ)件之一，被廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)的各種旋轉(zhuǎn)設(shè)備中，其品質(zhì)和性能，直接影響并決定著設(shè)備的工作性能[1]。在機(jī)械密封正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由端面摩擦、密封附件攪拌等產(chǎn)生的熱量，會使密封環(huán)特別是密封端面溫度升高，產(chǎn)生較大溫度梯度，從而帶來很多問題。

密封工作者十分重視對密封環(huán)冷卻方面的研究。但大多數(shù)研究將密封環(huán)獨(dú)立出來進(jìn)行分析計(jì)算[2～4]。而密封環(huán)周圍流體流動與傳熱密不可分，機(jī)械密封腔內(nèi)流體的流動特性，直接影響著密封環(huán)的溫度場。因此，對密封腔內(nèi)流場的研究非常重要。

由于密封腔內(nèi)流場復(fù)雜，通過實(shí)驗(yàn)測得流動特性比較困難，而Reynolds方程經(jīng)過諸多簡化的解法有其局限性，采用手動編程的方法，通用性較差、費(fèi)時(shí)費(fèi)力。近年來，計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）的發(fā)展，給密封研究帶來了動力。作者在前人研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用流場分析軟件FLUENT，建立密封腔內(nèi)流場的三維N-S模型并作了定量計(jì)算，得出冷卻油流量對密封環(huán)冷卻效果的影響規(guī)律，同時(shí)可觀察各個(gè)方向、各個(gè)截面的流體流動情況，使計(jì)算結(jié)果更直觀。

1 數(shù)學(xué)模型

應(yīng)用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下層流穩(wěn)態(tài)模型對密封腔內(nèi)流體進(jìn)行模擬。在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，連續(xù)性方程為[5]

式中，

ρ 為流體密度，kg/m3；

p為流體靜壓，MPa；

此處忽略溫度變化，只考慮連續(xù)性方程和運(yùn)動方程；若有溫度變化，則要考慮能量方程。

2 邊界條件及計(jì)算過程

本文所研究密封結(jié)構(gòu)如圖1所示，計(jì)算區(qū)域?yàn)閳D中密封腔內(nèi)的密封介質(zhì)部分。在GAMBIT軟件中建立密封腔內(nèi)流場的三維幾何模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分生成網(wǎng)格文件。由于模型較大且不規(guī)則，無法直接生成六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。本文采用分塊劃分網(wǎng)格的方法，最終生成混合結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，生成單元總數(shù)為182511個(gè)。

圖1 密封腔體部分設(shè)計(jì)圖

邊界條件設(shè)置如下：冷卻油入口處為速度入口邊界，出口處為自由出流，軸套、動環(huán)座及動環(huán)表面設(shè)為旋轉(zhuǎn)邊界，轉(zhuǎn)速為2950 r/min，其余均設(shè)為壁面邊界。冷卻油為普通機(jī)械用油，溫度為373 K，密度為883.6 kg/m3，動力粘度為0.486 kg/（m·s）。

由于密封腔內(nèi)流場受到徑向冷卻油注入和高速旋轉(zhuǎn)軸、動環(huán)攪拌的影響，流動狀態(tài)很可能變?yōu)橥牧鳡顟B(tài)。因此需要判斷流體的流動狀態(tài)。本文采用Ta準(zhǔn)數(shù)判斷方法，計(jì)算公式如下：

其中，

η=rir是半徑之比；

d=ro-ri是腔內(nèi)間隙寬度；

Ω是內(nèi)圓柱角速度；

υ是流體的運(yùn)動粘度；

臨界泰勒準(zhǔn)數(shù)為Tac=2279。

研究表明：只有當(dāng)泰勒準(zhǔn)數(shù)大于1000 Tac時(shí)，湍流才會產(chǎn)生。

本文中η，d，Ω，υ分別為0.72，17.5 mm，308.77-1s，5.5×10-4m2/s，泰勒準(zhǔn)數(shù)為 Ta=63636.388。

因此，在本文計(jì)算工況下，流動為層流。

本文以三維雷諾平均N-S方程為控制方程，對控制方程選擇分離解法。壓力采用標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行離散，壓力速度耦合采用SIMPLE算法，動量方程采用二階迎風(fēng)離散格式。速度分量和動量的收斂標(biāo)準(zhǔn)均設(shè)置為10-3。圖2為各變量收斂過程的殘差圖。從圖中可以看出，模型流體x、y、z三個(gè)方向上的速度值、連續(xù)性方程均滿足要求，達(dá)到計(jì)算精度而收斂。

圖2 迭代計(jì)算收斂曲線

3 結(jié)果與討論

本文在保持軸轉(zhuǎn)速不變的情況下，改變冷卻油入口流量，觀察流場的變化。圖3～圖5所示，為計(jì)算得到的密封腔內(nèi)動環(huán)外表面處X=20橫截面流速矢量圖。

從圖中可以看出，冷卻流體在動環(huán)外表面形成一個(gè)流線層，流層厚度隨著流量的增大而增大，且向腔內(nèi)部凸出。這說明隨著冷卻油流量增大，流體更容易抵抗旋轉(zhuǎn)件的吸附力，在密封腔內(nèi)形成更好的冷卻循環(huán)。同時(shí)，在這些流線層區(qū)域內(nèi)，流體流速遠(yuǎn)大于冷卻油入口流速，流體更容易帶走動環(huán)表面的熱量，提高冷卻效果。

圖3 流量0.06m3/h動環(huán)外表面截面速度矢量圖

圖4 流量0.10m3/h動環(huán)外表面截面速度矢量圖

圖5 流量0.24m3/h動環(huán)外表面截面速度矢量圖

圖6為動環(huán)表面流層厚度隨冷卻油入口流量的變化曲線圖。隨著冷卻油入口流量的增大，動環(huán)表面流層厚度明顯增大，而當(dāng)流量增大到一定數(shù)值時(shí)，流層厚度增量很小。這說明，流量增大可以明顯改善動環(huán)表面的冷卻效果，但是超過一定數(shù)值，冷卻效果卻改善不大，反而有可能因?yàn)閴毫ι叨绊懤鋮s。因此，無限制增大流量，是不可取的，應(yīng)適度控制。

圖6 動環(huán)表面流層厚度隨冷卻油流量的變化曲線

圖7～圖8為動環(huán)表面軸向速度和切向速度隨冷卻油入口流量的變化曲線圖。隨著冷卻油入口流量的增大，動環(huán)表面軸向速度增大，切向速度減小。這說明，冷卻流體軸向流動增強(qiáng)，更容易把動環(huán)表面的熱量帶走，提高冷卻效果。

圖7 動環(huán)表面流體軸向速度隨冷卻油流量的變化曲線

圖8 動環(huán)表面流體切向速度隨冷卻油流量的變化曲線

圖9為流體區(qū)域z=0縱截面渦量圖。渦量是流體產(chǎn)生回流的量度。從圖中可以看出，介質(zhì)入口和出口兩個(gè)地方產(chǎn)生了回流，尤其出口處最大。入口處流量大，而入口截面積小，容易導(dǎo)致輕微回流；出口處流體經(jīng)腔內(nèi)旋轉(zhuǎn)作用后，速度很大，而出口截面較小，因此導(dǎo)致較大回流。

圖9 流體區(qū)域Z=0縱截面渦量圖

4 結(jié)束語

本文計(jì)算結(jié)果表明，用FLUENT軟件分析密封腔內(nèi)三維復(fù)雜流場是可行的。

計(jì)算結(jié)果表明，隨著冷卻油入口流量的增大，動環(huán)表面流層增厚且軸向速度增大，因而表面冷卻效果提高。但是當(dāng)流量超過一定數(shù)值時(shí)，冷卻效果無明顯改善。

密封腔內(nèi)流體流動非常復(fù)雜，Reynolds方程經(jīng)過諸多簡化的解法有其局限性，采用手動編程的方法，通用性較差，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而FLUENT軟件能夠真實(shí)地模擬復(fù)雜的三維流場，可以觀察到流場內(nèi)部的速度分布及變化情況，實(shí)現(xiàn)可視化計(jì)算，彌補(bǔ)常規(guī)試驗(yàn)之不足。

本文只是對密封腔內(nèi)流場進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)繼續(xù)分析溫度場，考慮更多的影響因素，使數(shù)值模擬更完善。

[1]顧永泉.機(jī)械密封實(shí)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[2]宋亞東，孫曉光.機(jī)械密封環(huán)溫度場的研究[J].國外油田工程，1994，10(6)：49-53.

[3]Parviz Merati，Noriaki Pkita，Phillips R L and Jacobs L.Experimental and Computational Investigation of Flow and Thermal Behavior of a Mechanical Seal[J].Tribology Transactions，1999，42(4)：731-738.

[4]Ray Clark，Henri Azibert.Computer Simulation of Mechanical Seal Leads to Design Change that Improves Coolant Circulation[J].Journal Articles by Fluent Users，2002，23（1）:113-117.

[5]GK Batchelor.An Introduction to Fluid Dynamics[M].Cambridge：Cambridge Univ.Press,1967.

Computational Studies of Fluid Field in a Chemical Mechanical Seal

SUN Shi-zhu，LIU De-zhi
（Dongying Vocational College,Dongying Shandong 257091，China）

The three-dimensional computational studies using the commercial software package FLUENT for the fluid field in a chemical mechanical seal are presented.The three-dimensional laminar Navier-Stokes equations are solved for getting the complex 3-D flow characteristic as induced by the influx of the cooling fluid and the rotation of the seal ring.The pressure corre ctionmethod was used in conjunction with the SIMPLE algorithm.The implication of the flow characteristic on the cooling of the rings is distinct.

mechanicalseal;numerical computation;fluid field;FLUENT

TH136

A

1672-545X（2011）09-0064-03

2011-06-14

孫士鑄（1964—），男，山東龍口人，副教授，研究方向：化工實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)。