動壓型機械密封端面液膜相變理論研究進展*

許曉東 張玉言 馬晨波 孫見君

(南京林業(yè)大學機械電子工程學院 江蘇南京 210037)

作為過程工業(yè)裝備防止泄漏的重要功能基礎件，機械密封對節(jié)能減排和環(huán)境保護意義重大[1]。其中，非接觸式機械密封以其極具潛力的節(jié)能和防漏優(yōu)勢得到廣泛應用。動壓型機械密封作為非接觸式機械密封的典型形式，可借助動壓效應增大液膜開啟力，形成端面間全流體潤滑狀態(tài)，有效降低端面磨損，已成功應用于泵、汽輪機和反應釜等裝備中。但是，隨著航空航天、核電和化學工業(yè)等行業(yè)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了大量需要面臨高溫、高速等復雜工況以及密封介質(zhì)易汽化或易揮發(fā)等高端裝備的機械密封應用場合，液膜相變問題成為影響密封工作穩(wěn)定性和可靠性，甚至導致密封失效的直接因素之一[2]。已有研究表明，相變在一定條件下可以提高液膜承載能力、控制泄漏、降低端面摩擦扭矩。但液膜汽化和液膜空化也會造成不利影響[3-5]，如汽化會導致端面液膜完整性受到破壞，使得分離的動靜環(huán)端面出現(xiàn)接觸情況，造成密封端面磨損、汽蝕損傷、端面熱裂等密封失效形式；空化會在液膜中出現(xiàn)氣泡，而氣泡的出現(xiàn)與潰滅會導致密封端面開啟力降低，端面磨損急劇增長，使得動靜環(huán)表面遭到破壞。為了提高動壓型機械密封在復雜工況參數(shù)條件下的穩(wěn)定性運行能力，液膜相變問題成為近年來的研究熱點。

本文作者闡述了動壓型機械密封液膜相變機制、相變模型，綜述了動壓型機械密封端面型槽結構參數(shù)、工況參數(shù)對液膜相變的影響規(guī)律，并指出了未來液膜相變研究中需要重點關注的問題。

1 動壓型機械密封相變機制

動壓型機械密封相變是指由于溫度或壓力的影響，液膜由液相向汽相轉變的一個過程，根據(jù)成型機制的不同，可以分為汽化和空化。

1.1 汽化機制

影響汽化的主要因素是溫度。當液膜溫度升高，達到并超過其蒸發(fā)溫度，液膜由液相向汽相轉變。導致動壓型機械密封端面液膜溫度升高的熱源有：密封裝置啟動時，動靜環(huán)相互接觸，摩擦產(chǎn)生的大量熱量；裝置穩(wěn)定運行時，動靜環(huán)之間液膜黏性剪切時產(chǎn)生的熱量[6]；動環(huán)隨主軸轉動時產(chǎn)生的少量攪拌熱[7]；密封介質(zhì)與外界通過對流換熱導致的熱量變化。

液膜密封狀態(tài)可以通過汽化半徑來判斷，當汽化半徑小于端面內(nèi)徑時，視為未發(fā)生汽化，稱為全液膜密封；當汽化半徑大于端面內(nèi)徑又遠小于端面外徑時，汽化程度較低，稱為似液相混相密封；當汽化半徑小于端面外徑又遠大于端面內(nèi)徑時，汽化程度較高，稱為似汽相混相密封；當汽化半徑大于端面外徑時，視為完全汽化，稱為全汽膜密封[8]。

1.2 空化機制

影響空化的主要因素是壓力。當局部壓力低于飽和蒸汽壓時，液膜中開始出現(xiàn)氣泡。導致動壓型機械密封端面壓力下降的原因有2種。第一種是由于密封環(huán)端面開設周期性型槽，當液膜從槽區(qū)流向密封堰區(qū)時，膜厚減小，局部壓力升高，處于收斂區(qū)；當液膜從密封堰區(qū)流向槽區(qū)時，膜厚增加，局部壓力降低，處于發(fā)散區(qū)，當局部壓力降低到液膜的飽和蒸汽壓時，液膜開始出現(xiàn)空化，這類被稱為宏觀空化。第二種是由于表面微凸體的影響，當液膜從表面粗糙峰流向粗糙谷時(可將粗糙峰看作堰區(qū)，將粗糙谷看作槽區(qū))，液膜處于發(fā)散區(qū)域，局部壓力下降導致液膜出現(xiàn)空化，這類空化被稱為微觀空化[9]。

1.3 汽化和空化的區(qū)別

汽化和空化現(xiàn)象的區(qū)別包括所屬范疇、關鍵影響因素和相變位置。汽化屬于熱力學范疇，主要受溫度影響，但由于液膜的蒸發(fā)溫度隨液膜壓力的減小而降低，因此汽化區(qū)域發(fā)生在端面低壓一側，并隨著汽化程度的增長逐漸向高壓一側擴展。與之不同，空化是一種物理現(xiàn)象，只受液膜壓力影響，空化位置出現(xiàn)在堰區(qū)與槽區(qū)交界的低壓區(qū)，并隨著空化程度的增長逐漸充滿槽區(qū)。

2 相變模型

2.1 汽化模型

2.1.1 Lee模型

LEE[10]針對液相和汽相分別建立了獨立的守恒方程，其中傳質(zhì)方程蒸發(fā)項和冷凝項分別如式(1)和(2)所示。

(1)

(2)

式中：Tsat為蒸發(fā)溫度；Tl和Tv分別為液相和汽相溫度；λc為蒸發(fā)冷凝系數(shù)，可通過實驗獲得；α與ρ分別表示體積分數(shù)和密度。

從式(1)和(2)中可以發(fā)現(xiàn)，當液相溫度高于蒸發(fā)溫度，或汽相溫度低于蒸發(fā)溫度時，兩相轉變就會產(chǎn)生。Lee模型具有形式簡單、易于計算、可靠性高等優(yōu)點，被廣泛使用于計算流體動力學中的冷凝或沸騰過程。其中蒸發(fā)冷凝系數(shù)主要靠經(jīng)驗取值，不一樣的蒸發(fā)冷凝系數(shù)計算的結果不相一致。邱國棟等[11]提出一種基于潛熱份額(潛熱換熱量占總換熱量的比例)和飽和溫差(流體溫度與飽和溫度的差值)來確定蒸發(fā)冷凝系數(shù)的方法，并在特定條件下驗證了方法的正確性。但該方法得出的傳質(zhì)系數(shù)不一定能運用到CFD中，因為該系數(shù)可能導致能量方程極易發(fā)散。

2.1.2 Thermal LB 模型

LB方法可以有效模擬流體流動和相關運輸現(xiàn)象，能量方程如式(3)所示，基于該方法提出了3類Thermal LB模型進行汽化相變分析。第一類通過將源項加入到連續(xù)性方程或界面捕捉方程中，跟蹤某個在本相中是常值，在擴散界面區(qū)域平穩(wěn)變化的參數(shù)來實現(xiàn)相分離[12]。第二類將不同流體粒子間的電勢加入到LB方程中來實現(xiàn)相分離，具有界面自然出現(xiàn)、變形和遷移等特點，可以提高計算效率[13]。第三類是基于第二類的基礎上進行的改進，將高階速度項加入到溫度分布函數(shù)中來恢復溫度方程，可以更好地模擬得到流體流及溫度場分布[14]。LI等[15]指出Thermal LB模型中存在誤差項，如式(4)所示，如果不能消除其影響，其導致的計算誤差很顯著且不可忽略?；诖颂岢隽艘环N改進的Thermal LB 模型，如式(5)所示。

ρ(?te+v·?e)=?·(λ?T)-p?·v

(3)

?t0(Tv)+?·(Tvv)

(4)

gα(x+eαδt,t+δt)=gα(x,t)-

(5)

格子玻爾茲曼方法已經(jīng)被廣泛應用于多孔介質(zhì)內(nèi)的兩相流動，并且效率極高，并且相變傳熱現(xiàn)象的數(shù)值模擬同樣是格子玻爾茲曼方法的適用領域，主要用于求解傳熱過程中的能量方程。不可避免的是在相變傳熱問題上會出現(xiàn)誤差，需要另尋方法解決。

2.2 空化模型

空化模型使用時不考慮溫度的影響，只針對壓力進行相關計算，并給定相應的空化邊界條件求解雷諾方程。通過設定一個飽和蒸汽壓，根據(jù)各部分壓力與飽和蒸汽壓力的關系判斷模型中是由液相向汽相轉變，還是汽相向液相的轉變。蒸發(fā)項為液相向汽相轉化的部分，冷凝項為汽相向液相轉化的部分，在整個空化模型中蒸發(fā)項與冷凝項的傳質(zhì)關系如式(6)所示。

(6)

式中：Re和Rc分別代表蒸發(fā)項和冷凝項的傳質(zhì)率；α為汽相體積分數(shù)；ρ為密度。

2.2.1 Zwart-Gerber-Belanri模型

2004年，ZWART等[16]基于Rayleigh-Plesset方程提出一個空化模型，可以用于預測三維流體中的空化氣蝕現(xiàn)象，在解決相應多相流問題時該模型的傳質(zhì)方程已普遍適用。如式(7)所示。

(7)

式中：RB為氣泡直徑；σ為表面張力系數(shù)；pv為蒸汽壓。

該模型解決了空化氣泡在液膜中的生長與潰滅時產(chǎn)生的速度與壓力等的變化，并考慮了表面張力、黏性效應等對空化的影響，并可以與Fluent中所有湍流模型兼容。局限之處在于模型中沒有包含不可凝氣體的計算式。該模型主要用于水翼空化、誘導器空化及文丘里管瞬態(tài)空化等情形。Schnerr-Sauer模型[17]同樣是使用式(7)來描述受到遠場壓力干擾的單個氣泡的生長與潰滅。

2.2.2 Singhal模型

SINGHAL等[18]同樣基于Rayleigh-Plesset方程提出了一個新空化模型，該模型解決了液膜中氣泡的形成和傳輸問題、壓力和速度的湍流波動問題、溶解或吸收在液膜中的不可冷凝氣體的問題，因此被稱之為“full cavitation model”。氣泡動力學方程如式(8)所示。

(8)

式中：pB為氣泡壓力;v為流體速度矢量;S為表面張力。

該模型適用于以下幾種情形：具有復雜的多端口，幾何形狀、壓力負載隨時間變化的柴油噴油器中的空化現(xiàn)象；火箭渦輪、汽車恒溫閥中的空化現(xiàn)象。

上述空化模型中都包含經(jīng)驗常數(shù)氣泡直徑RB，其取值對空化流場的數(shù)值模擬結果產(chǎn)生巨大影響，需要通過引入瞬時剪切應變率或平均剪切應變率來修正蒸發(fā)系數(shù)以消除經(jīng)驗常數(shù)取值影響。

2.2.3 空化邊界條件

動壓型機械密封裝置運行時，流體膜經(jīng)常出現(xiàn)負壓的現(xiàn)象，需要引進空化邊界條件以求解雷諾方程?？栈吔鐥l件的選擇在數(shù)值分析時非常重要，不當?shù)倪x擇會使計算結果大大偏離實際。

DOWSON和TAYLOR[19]提出了4種空化邊界條件，分別為Sommerfeld邊界、Half-Sommerfeld邊界、Reynolds邊界、JFO邊界，空化邊界條件如圖1所示。

圖1 空化邊界條件[20]Fig.1 Cavitation boundary conditions[20]

其中JFO邊界條件是基于質(zhì)量守恒條件，考慮了液膜的破碎及再生，加入了混合等效密封和開關函數(shù)而提出的空化邊界條件，適用范圍和計算精度遠遠高于其他邊界條件。李振濤等[21-22]建立了空穴可視化實驗，分析了不同邊界條件下端面液膜的空穴特征，發(fā)現(xiàn)使用JFO空化邊界條件計算出的結果與實際更加接近，并在此基礎上聯(lián)合使用空化模型研究了螺旋槽動壓型機械密封結構參數(shù)與工況參數(shù)變化時空化的變化規(guī)律。YANG等[23]基于JFO空化邊界條件、表面粗糙度、彈塑性接觸、熱彈性變形及黏溫效應提出三維熱彈流體動力模型，理論結果與實際結果吻合度較高。

3 相變影響因素分析

機械密封裝置密封介質(zhì)為易汽化或易揮發(fā)性質(zhì)時較為容易出現(xiàn)相變現(xiàn)象，而在密封介質(zhì)一定時，大量研究表明，動壓型機械密封的型槽結構參數(shù)(槽深、槽數(shù)、槽堰比、槽壩比)以及密封運行時的工況參數(shù)(轉速、壓力、溫度)會對液膜相變產(chǎn)生顯著影響。

3.1 型槽結構參數(shù)的影響

常用的端面型槽有螺旋槽、T形槽、雷列槽等，如圖2所示。其中，Ro、Ri和Rg分別表示端面外半徑、內(nèi)半徑、槽根圓半徑；Rg1和Rg2分別表示內(nèi)外槽根圓半徑；θ1、θ2和θ3分別表示槽區(qū)、堰區(qū)對應圓心的角度；θ表示螺旋角，為螺旋線上任意一點的切線與其所在圓的切線的夾角。

圖2 典型的型槽端面結構示意Fig.2 Schematic of typical groove end surface structure： (a) spiral groove; (b) T-groove; (c) Ryrus groove

3.1.1 槽型結構參數(shù)對汽化的影響

宋仁龍[24]研究了單因素下螺旋槽結構參數(shù)對汽化的影響，發(fā)現(xiàn)螺旋角、槽數(shù)對汽化影響較小，隨著螺旋角和槽數(shù)的增加，平均汽相體積分數(shù)略微減小后趨于平穩(wěn)；而槽堰比、槽壩比、槽深對汽化的影響較大，隨著槽堰比、槽壩比的增長，平均汽相體積分數(shù)急劇增長，隨著槽深的增加，平均汽相體積分數(shù)大幅度降低，最終趨于平穩(wěn)。WANG等[25-26]、馬潤梅等[27]、李歡等人[28-29]等利用多目標優(yōu)化技術，以螺旋角θ、槽數(shù)、槽深、槽壩比、槽堰比等參數(shù)為變量，以不同溫度時的密封泄漏量和開啟力為性能優(yōu)化目標，發(fā)現(xiàn)當螺旋角為17°、槽數(shù)為8個、槽深為6 μm、槽壩比為0.8、槽堰比為0.7時，密封性能較優(yōu)，如圖3所示。

圖3 密封結構優(yōu)化前后性能對比[27]Fig.3 Performance comparison before andafter sealing structure optimization[27]

不同于淺槽液膜密封，劉歡歡[30]針對深槽液膜密封相關結構參數(shù)對汽化的影響進行了分析，結果發(fā)現(xiàn)T形槽的槽數(shù)和槽深的改變不會導致汽化發(fā)生變化，而且槽壩比、槽寬比的增加，僅僅會造成汽相體積分數(shù)的輕微改變。深槽密封端面溫度變化幅度較小，溫度最高點出現(xiàn)在壩區(qū)中部，結構參數(shù)的改變對該部位影響較小，所以深槽密封條件下結構參數(shù)對汽化相變的影響基本可以忽略不計。雷列槽由深槽區(qū)和淺槽區(qū)組合而成。在淺槽以及深槽等相關研究的基礎上，雷晨輝[31]對動環(huán)端面開設雷列臺階槽的機械密封進行了汽化研究，對于深槽分析得到的結論與文獻[30]的結論一致，槽深及槽寬對汽化基本無影響；而隨著淺槽的槽深和槽寬的增加，液膜汽化程度逐漸減小。

3.1.2 型槽結構參數(shù)對空化的影響

李振濤[32]研究了端面型槽結構參數(shù)對液膜空穴誘發(fā)影響，發(fā)現(xiàn)槽深增加會使得液膜抵抗負壓形成能力提升，降低了液膜空化區(qū)域的大小，但空化區(qū)域的氣相組分卻明顯增多。BRUNETIRE和ROUILLON[33]提出槽深的增加會導致流體流動狀態(tài)從層流向湍流轉變，計算得到的雷諾數(shù)明顯增大，并且雷諾數(shù)越大時，流體慣性效應更加顯著。MA等[34]發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)為942時，考慮慣性效應的空化面積比不考慮慣性效應時增大了45%，并且空化面積隨著槽深的增加先增加后降低，隨著螺旋角的增加而增加，如圖4所示。

LI等[35]、楊文靜等[36]研究了下游泵送螺旋槽不同結構參數(shù)對空化相變的影響，并且比較了上游泵送和下游泵送2種槽型對空化的影響，結果表明：空化程度隨著槽數(shù)、槽深的增加，螺旋角、槽堰比、槽壩比的減小而減小；上游泵送型螺旋槽更易產(chǎn)生空化相變，其產(chǎn)生的空化區(qū)域的周向寬度要明顯大于下游泵送型。無論是上游泵送還是下游泵送都是正向螺旋槽，除此以外還存在反向螺旋槽。馬學忠等[37-40]對反向螺旋槽結構進行了相關研究，并且利用正向螺旋槽的流體動壓效應及反向螺旋槽的空化效應，提出了正反向螺旋槽端面結構以提高密封性能，同時還在雷列臺階環(huán)槽的基礎上提出反向瑞利臺階結構，并優(yōu)化了槽型結構參數(shù)以獲得一個空化相變率使得綜合密封性能最佳。研究發(fā)現(xiàn)，反向螺旋槽端面槽區(qū)的液膜呈現(xiàn)發(fā)散特征，極易產(chǎn)生空化，并且結構參數(shù)的改變也更易導致空化相變率發(fā)生變化。

圖4 空化面積隨槽深、螺旋角的變化趨勢[34]Fig.4 Variation trend of cavitation area with groove depth andhelix angle[34] ：(a) groove depth; (b) helix angle

上述學者不僅研究了端面型槽各結構參數(shù)的單一因素對密封性能的影響，還針對某些性能參數(shù)進行了多因素結構優(yōu)化分析，提出更優(yōu)結構參數(shù)組合。同時，利用正、反向型槽結構對相變的抑制、促進作用或深槽及淺槽進行組合結構設計，其密封性能要高于單獨型槽結構。并且不同槽型相互組合結構可以使得動壓型機械密封適應不同的環(huán)境工況，提高密封穩(wěn)定性。

目前，型槽結構參數(shù)對空化、汽化影響的研究還存在一定的問題，如利用高精度開槽技術，型槽槽深達到微米級，然而靜環(huán)表面粗糙度較高(如圖5所示)，流體流經(jīng)高粗糙度區(qū)域時產(chǎn)生的微小擾動會影響整個流體膜的流動，其產(chǎn)生的影響已經(jīng)不可忽略，而目前仿真研究時基本假定動靜環(huán)兩表面為光滑曲面。此外，目前的研究在考慮型槽結構參數(shù)對空化、汽化影響時，研究對象多為螺旋槽、梯形槽、人字槽等，對其他槽型研究較少，而不同槽型在不同工況下對相變影響是不一致的。

圖5 靜環(huán)端面表面粗糙度分布[3]Fig.5 Distribution of surface roughness of stationary ring faces[3]

3.2 工況參數(shù)的影響

動壓型機械密封裝置在實際工作中，有很多因素如振動、壓力波動、相變等使得工況參數(shù)發(fā)生改變，不同的工況條件下端面液膜的相變率不相一致，液膜易出現(xiàn)不穩(wěn)甚至失效現(xiàn)象。

3.2.1 工況參數(shù)對汽化的影響

ZHANG等[41-42]通過搭建低溫高速非接觸式機械密封實驗裝置，以液氮為密封介質(zhì)，分析了密封裝置加速、穩(wěn)定、減速階段密封性能變化，發(fā)現(xiàn)密封裝置加速到穩(wěn)定階段時，局部介質(zhì)溫度迅速升高，液膜發(fā)生汽化，并且最終轉速越高，汽化程度就越高。MIGOUT等[43]發(fā)現(xiàn)入口溫度對汽化的影響在溫度超過一定閾值后更加明顯，更易導致整個液膜喪失穩(wěn)定。曹恒超等[44]在不同入口溫度條件下研究了工況參數(shù)對相變的影響，發(fā)現(xiàn)隨著轉速的升高，汽化程度逐漸升高，如圖6所示，并提出隨著入口與出口的壓力差增加，端面壓力梯度變大，會對汽化產(chǎn)生抑制作用，使汽化程度降低。除此之外，作者研究還發(fā)現(xiàn)轉速對汽化的影響與槽深有著重要的關系，當槽深與膜厚的比值大于2時，轉速的提高會對汽化產(chǎn)生抑制作用，反而降低了汽化的產(chǎn)生。

陳匯龍等[45-46]、李新穩(wěn)[47]認為壓力對密封介質(zhì)蒸發(fā)溫度的影響及流體內(nèi)摩擦在汽化分析中不可忽視，并基于實驗數(shù)據(jù)擬合得到了密封介質(zhì)蒸發(fā)溫度隨局部壓力變化方程。研究發(fā)現(xiàn)：溫度較低時，汽化隨轉速的增加先保持平穩(wěn)后持續(xù)升高；但隨著溫度升高，汽化隨轉速的變化規(guī)律出現(xiàn)改變，隨著轉速的增加，汽化是先降低再升高，如圖7所示，不同于曹恒超等[44]的研究結果。這主要是因為轉速較低時的膜壓較小，對應的飽和溫度也較小，介質(zhì)受到溫升的影響極易發(fā)生汽化；但隨著轉速的增加，螺旋槽的泵送效應及動壓效應明顯增強，泵吸進入的低溫介質(zhì)降低了介質(zhì)溫度，膜壓的增強提高了介質(zhì)的飽和溫度，反而使得汽化受到抑制，出現(xiàn)降低；但轉速超過一定之后，流體內(nèi)摩擦效應越發(fā)明顯，汽化程度開始出現(xiàn)緩慢上升，并且入口溫度的增長對汽化的影響也逐漸降低。

圖6 轉速對相變率影響[44]Fig.6 Influence of speed on phase change rate[44]

圖7 轉速、溫度對平均氣相體積分數(shù)影響[47]Fig.7 The influence of speed and temperature onthe average vapor phase volume fraction[47]

3.2.2 工況參數(shù)對空化的影響

楊文靜等[48]不僅研究了結構參數(shù)與空化之間的關聯(lián)性，還研究了工況參數(shù)對空化的影響，發(fā)現(xiàn)轉速的增大、介質(zhì)壓力及膜厚的減小都會促進空化的產(chǎn)生。郝木明等[49]研究了不同介質(zhì)溫度時空化的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在未達到蒸發(fā)溫度時，溫度的升高使得液膜空化程度先下降再上升，存在一個臨界溫度值使得空化效應最弱，如圖8所示；并指出空化在密封轉速較低時是不存在的，當轉速超過一定值時，空化才開始出現(xiàn)。這是因為低轉速時，槽區(qū)與堰區(qū)之間的壓力降達不到空化產(chǎn)生的標準。

圖8 溫度-平均氣相體積分數(shù)[49]Fig.8 Temperature-average gas phase volume fraction[49]

空化研究一般基于常值飽和蒸汽壓下研究，沒有考慮溫度對飽和蒸汽壓的影響。為此王彬[50]、陳匯龍等[51]提出建立密封介質(zhì)飽和蒸汽壓隨溫度的變化方程，發(fā)現(xiàn)加入空化熱效應并不會改變空化因轉速增加而導致臺階擴散通道壓力下降和空化產(chǎn)生的規(guī)律，僅會增大空化變化程度。但僅考慮黏溫效應時，空化區(qū)域主要集中于螺旋槽槽底部位，如圖9所示。而綜合考慮黏溫效應和空化熱效應時，空化區(qū)域主要集中于槽區(qū)所對應的端面位置，由該端面沿著膜厚方向向另一端面，空化區(qū)域越來越小，如圖10所示。LI等[52]不僅研究工況參數(shù)對空化的影響，還研究工況參數(shù)對液膜空化的誘發(fā)影響，發(fā)現(xiàn)液膜初始破裂位置和液膜重生位置的空化程度呈現(xiàn)出不同的變化趨勢，前者從內(nèi)半徑至外半徑先增大后趨于穩(wěn)定，而后者保持不變。

工況參數(shù)不僅影響相變程度，還影響相變的產(chǎn)生區(qū)域及再生位置。通過針對單獨工況參數(shù)對相變誘發(fā)及相變程度的影響進行分析，可以以此為基礎，通過調(diào)整工況參數(shù)條件進行相變調(diào)控，使得相變不超過一定閾值，提高液膜穩(wěn)定性。

目前關于工況參數(shù)對相變影響的研究還不夠完善，對高轉速、高溫度等條件下的相變影響研究還遠遠不夠。張國淵等[53]建立的高速水潤滑密封實驗系統(tǒng)，其最高轉速可達50 000 r/min，然而該文獻中僅給出了0～16 000 r/min轉速范圍內(nèi)的測量數(shù)據(jù)，僅僅達到實驗系統(tǒng)最高轉速的1/3。該文獻沒有進行高于16 000 r/min轉速的相關實驗并分析其對汽化相變的影響。另外，學者們在研究溫度對汽化相變的影響時也是在一定范圍內(nèi)改變溫度。如陳匯龍等[45-46]研究的液態(tài)水相變問題，其設置的溫度最高為433 K，僅僅比液態(tài)水在大氣壓下蒸發(fā)溫度高出60 K，在高壓環(huán)境下遠遠達不到液態(tài)水的沸點。文獻[27]中研究高、低汽化程度下參數(shù)對密封性能的影響時，以105和115 K分別定義為低汽化程度和高汽化程度。僅限于該溫度范圍的研究是遠遠不夠的，還需要進一步研究更大范圍內(nèi)溫度對汽化的影響。

圖9 黏溫模型空化區(qū)域分布云圖[51]Fig.9 Viscous temperature model cavitationarea distribution cloud map[51]

圖10 空化熱特性模型空化區(qū)域分布云圖[52]Fig.10 Cavition heat characteristic model cavitationarea distribution cloud map[52]

4 結論及展望

雖然關于液膜相變的科學研究已取得重要進展，但就相變模型的適用性、極端工況下的相變和密封相變監(jiān)測關鍵技術而言，仍缺乏系統(tǒng)研究。未來可從以下3個方面開展深入研究：

(1)相變模型的突破：為簡化計算，目前端面液膜相變問題使用的相變模型，僅僅考慮液膜單獨出現(xiàn)空化或汽化現(xiàn)象。雖然部分學者(如YANG等[54]、GAO等[55])已研究了扇型槽機械密封運行時空化與汽化同時存在的問題，并基于有限體積法提出相應的流體模型實現(xiàn)兩者同時存在時的流場分析，但目前該類模型研究不夠完善，還需進一步深入研究。

(2)極端工況下動壓型機械密封的穩(wěn)定性運行：隨著動壓型機械密封應用領域的不斷擴展，針對相變問題在超低溫、超高溫、高轉速、高壓力等極端環(huán)境下導致密封頻繁失效的研究越發(fā)重要，后續(xù)還需進一步探索極端工況條件下端面液膜瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)流體變化、相變機制、泄漏機制和失穩(wěn)機制，探究相應條件下型槽、工況等參數(shù)對動壓型機械相變及密封性能的影響規(guī)律，實現(xiàn)密封穩(wěn)定運行。

(3)密封相變監(jiān)測關鍵技術的發(fā)展：動壓型機械密封的壓力、溫度、相變直接影響密封性能，而密封性能的好壞往往直接影響到整個機械設備，因此對密封運行狀態(tài)進行監(jiān)測尤為迫切。目前關于端面液膜壓力與溫度的監(jiān)測方式有多種，但針對液膜相變過程及相變程度的監(jiān)測技術還不成熟，主要是利用溫度等因素從側面反映相變狀態(tài)。因此相變監(jiān)測技術需要進一步發(fā)展，使得監(jiān)測技術可以更直觀、準確地反映密封運行過程中的狀態(tài)。