接觸式機(jī)械密封外圓周織構(gòu)強(qiáng)化換熱機(jī)理研究

余旻豐 彭旭東 孟祥鎧 梁楊楊

摘要：沖洗是強(qiáng)化機(jī)械密封換熱的主要措施之一，但在一些特殊場(chǎng)合下沖洗量的大小往往是給定的，因此，需要采取一些強(qiáng)制換熱措施來(lái)改善機(jī)械密封的運(yùn)行環(huán)境。通過(guò)在密封環(huán)的外周面開設(shè)織構(gòu)，針對(duì)沖洗量一定的情況，基于SST k-ω湍流模型，采用Ω方法分析了不同轉(zhuǎn)速下織構(gòu)深徑比對(duì)端面溫度、外周面局部努塞爾數(shù)Nu和織構(gòu)區(qū)域流場(chǎng)的影響，對(duì)比研究了動(dòng)環(huán)織構(gòu)和靜環(huán)織構(gòu)的換熱機(jī)理。研究結(jié)果表明：在相同工況、沖洗量和織構(gòu)幾何參數(shù)條件下，若動(dòng)靜環(huán)外周面單獨(dú)開設(shè)織構(gòu)，則動(dòng)環(huán)的換熱效果更佳。在相同轉(zhuǎn)速下，動(dòng)環(huán)外周面開設(shè)織構(gòu)時(shí)，減小深徑比會(huì)使織構(gòu)內(nèi)部換熱效果差的區(qū)域增大，換熱效果減弱，但對(duì)于靜環(huán)織構(gòu)，減小深徑比會(huì)使織構(gòu)流體流動(dòng)下游側(cè)換熱效果差的區(qū)域減小，換熱效果增強(qiáng)；隨著轉(zhuǎn)速的增大，較小深徑比動(dòng)環(huán)織構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)了新的差換熱效果區(qū)域，單位面積換熱強(qiáng)度顯著下降。因此，為獲取較優(yōu)的換熱效果，在低轉(zhuǎn)速下宜選取小深徑比織構(gòu)，而在高轉(zhuǎn)速下應(yīng)選取大深徑比織構(gòu)。

關(guān)鍵詞：表面織構(gòu); 外周面; 接觸式機(jī)械密封; 強(qiáng)化換熱

中圖分類號(hào)：TH117.1

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2023.11.002

Research on Heat Transfer Enhancement Mechanism of Contact Mechanical

Seals with Textured Circumference Surfaces

YU Minfeng PENG Xudong MENG Xiangkai LIANG Yangyang

School of Mechanical Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou，310014

Abstract： Flushing was one of the main measures for heat transfer enhancement of mechanical seals. But in some special occasions， the flow rate of flushing was given， so some forced heat transfer measures were needed to improve the operating environment of mechanical seals. Through processing texture on the circumference surfaces of the sealing rings and aiming at the condition of a given amount of flushing， the influences of speed and depth to diameter ratio on interface temperature， local Nu on circumference surfaces and flow field in textured regions were analyzed by SST k-ω turbulence model and Ω method， heat transfer mechanism of texture processed on rotor or stator was compared and analyzed. The results show that under the same working conditions， flow rate of flushing and texture geometric parameters， the heat transfer of rotor is better if the texture is set on the circumference surfaces of rotor and stator separately. Under the same speed， when texture is processed on the circumference surface of rotor， reduction of the aspect ratio may increase the areas with poor heat transfer inside the texture and weakened heat transfer. But when texture is processed on the circumference surfaces of stator， the conclusion is completely opposite. As the speed increases， a new area of poor heat transfer appears in a small aspect ratio rotor texture， the heat transfer intensity per unit area is decreased significantly. Therefore， in order to obtain better heat transfer effectiveness， the small aspect ratio texture may be selected under low speed， and the large aspect ratio texture may be selected under high speed.

Key words： texture； circumference surface； contact mechanical seal； heat transfer enhancement

0 引言

機(jī)械密封是旋轉(zhuǎn)機(jī)器設(shè)備的重要零部件，廣泛應(yīng)用于泵、壓縮機(jī)、釜等設(shè)備的軸端密封［1-3］。通常，要求機(jī)械密封運(yùn)行時(shí)端面間處于合適的流體潤(rùn)滑狀態(tài)，以確保泄漏量小甚至零泄漏且端面磨損低，但是，在很多情況下，機(jī)械密封泄漏超標(biāo)的前期預(yù)兆或原因并非表現(xiàn)為端面磨損，而是端面過(guò)熱或溫升過(guò)高或摩擦扭矩過(guò)大，特別是針對(duì)航天渦輪泵等設(shè)備用機(jī)械密封其沖洗量無(wú)法調(diào)節(jié)的特殊使用場(chǎng)合，后一種原因更為常見(jiàn)［4-8］。因此，如何在沖洗量給定的情況下，提高機(jī)械密封的傳熱特別是換熱效果，改善機(jī)械密封的運(yùn)行環(huán)境已成為航天渦輪泵的難點(diǎn)問(wèn)題。近期，密封環(huán)外周面開設(shè)織構(gòu)的方法由于兼顧了較好的強(qiáng)化換熱效果和較小的攪拌損失而受到關(guān)注［9-11］。

關(guān)于織構(gòu)表面換熱機(jī)制的研究最初是以平板表面為研究對(duì)象。AFANASYEV等［12］在平板表面設(shè)置了半球形織構(gòu)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量了不同深度、不同半徑、不同排布織構(gòu)內(nèi)部的溫度分布和速度分布，確定了半球形織構(gòu)的強(qiáng)化換熱效果，這一結(jié)果被LIN等［13］通過(guò)數(shù)值模擬得到了驗(yàn)證。CHYU等［14］同樣采用平板表面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量半球形和水滴形織構(gòu)的內(nèi)部溫度分布，發(fā)現(xiàn)盡管二者的局部溫度分布存在微小差異，但計(jì)算所得整體努塞爾數(shù)Nu基本相等。

MAHMOOD等［15］使用兩塊相隔一定間距的矩形平板組成的狹窄通道來(lái)模擬微通道換熱器，并在通道內(nèi)壁面加工交錯(cuò)分布的規(guī)則半球形織構(gòu)，綜合采用粒子圖像測(cè)速（particle image velocimetry， PIV） 技術(shù)和壁面測(cè)溫技術(shù)，獲得了半球形織構(gòu)內(nèi)部流場(chǎng)和局部努塞爾數(shù)，分析了Re=600～11 000時(shí)量綱一高度H/D（其中H為平板間距，D為半球形織構(gòu)直徑）、入口溫度對(duì)通道內(nèi)壁面半球形織構(gòu)換熱效果的影響［16］，研究結(jié)果表明，隨著H/D的減小和入口溫度的降低，織構(gòu)的換熱效果增強(qiáng)。

在上述基礎(chǔ)上，多位學(xué)者［17-20］分別對(duì)圓柱形織構(gòu)、傾斜側(cè)壁織構(gòu)、六邊形織構(gòu)和橢圓形織構(gòu)進(jìn)行研究，對(duì)比了這些織構(gòu)與半球形織構(gòu)的換熱效果。LIGRANI等［21］在通道的上下壁面設(shè)置對(duì)稱的凸起與織構(gòu)，考慮錯(cuò)位因素的影響，對(duì)流場(chǎng)、局部努塞爾數(shù)和流動(dòng)摩阻進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明凸起表面強(qiáng)化換熱的效果更佳，但阻力增大了2～2.7倍。LIU等［22］在半球形織構(gòu)通道的內(nèi)壁面加入半球形凸起，并考慮了凸起和織構(gòu)的幾何和排布參數(shù)對(duì)換熱效果的影響，同樣發(fā)現(xiàn)凸起能有效提高下游織構(gòu)的強(qiáng)化換熱效果，但流動(dòng)阻力也相應(yīng)增大了。XIE等［23］將方形直通道改為方形U形通道，以模擬葉片尖端流道，并在通道內(nèi)壁半球形織構(gòu)之間加工了圓柱形凸起，研究結(jié)果表明，不同部位的局部努塞爾數(shù)提高了3.2%～31.5%，流動(dòng)阻力同時(shí)也增大了2.3% ～16.2%。

NIAN等［9］率先提出在機(jī)械密封外圓周表面加工織構(gòu)并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證實(shí)這一技術(shù)在中低轉(zhuǎn)速和中低壓情況下能降低端面溫度10%左右；隨后他們又研究了中低速條件下外圓周圓柱形織構(gòu)的排布和幾何參數(shù)對(duì)換熱強(qiáng)化的影響［10］，發(fā)現(xiàn)小尺寸、高密度的織構(gòu)換熱效果更佳。周宇坤等［11］針對(duì)多種織構(gòu)的換熱效果開展了初步研究，結(jié)果表明旋轉(zhuǎn)角為90°的等邊三角形織構(gòu)具有最佳強(qiáng)化換熱效果，矩形織構(gòu)強(qiáng)化換熱效果最差。

為了更高效地對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行量化分析，研究者們采用了Ω渦識(shí)別方法。截至目前，對(duì)渦的分析方法已經(jīng)歷了三代［24-25］：①基于渦量的渦識(shí)別方法，即直接使用渦量定義法識(shí)別渦，認(rèn)為渦量的大小即為當(dāng)?shù)匦D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度，但已經(jīng)被證明存在大誤差，且高渦量區(qū)域和實(shí)際的渦結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)性很低；②第二代渦識(shí)別方法，其基本方法是設(shè)置一個(gè)判定參數(shù)和一個(gè)閾值，當(dāng)計(jì)算出的判定參數(shù)數(shù)值大于閾值時(shí)，認(rèn)為當(dāng)?shù)赜袦u，但閾值的選擇將極大程度地影響識(shí)別結(jié)果且判定參數(shù)物理意義不明；③第三代渦識(shí)別方法，包括Ω渦識(shí)別方法和Liutex向量法，其優(yōu)點(diǎn)是將參數(shù)的閾值歸一化至0.52，使渦中心位置和強(qiáng)度的判定更為精準(zhǔn)。

上述工作表明，在眾多換熱手段中，織構(gòu)能兼顧強(qiáng)換熱效果和低摩阻損失，同時(shí)無(wú)需占用額外空間，在空間受限的航天渦輪泵密封腔體內(nèi)是一種理想的強(qiáng)化換熱措施。但是，截止目前，絕大多數(shù)研究還是以無(wú)限大平板和微通道換熱器為研究對(duì)象，這與傳統(tǒng)密封腔內(nèi)部的流動(dòng)與傳熱的情況存在明顯不同。此外，織構(gòu)應(yīng)用于機(jī)械密封的研究多以端面開設(shè)織構(gòu)為主［26-28］，而在沖洗量給定的條件下，高速機(jī)械密封外圓周面織構(gòu)的換熱機(jī)理鮮有研究。因此，本文采用SST湍流模型對(duì)比分析了密封動(dòng)環(huán)或靜環(huán)外周面織構(gòu)的內(nèi)部流場(chǎng)和局部努塞爾數(shù)，使用Ω方法對(duì)密封腔內(nèi)部和織構(gòu)局部的漩渦進(jìn)行了識(shí)別，討論了不同深徑比外周面織構(gòu)動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的換熱效果及其變化，研究了轉(zhuǎn)速對(duì)動(dòng)環(huán)織構(gòu)換熱效果的影響，揭示了織構(gòu)的換熱機(jī)理。

1 數(shù)值模型

1.1 幾何模型

圖1為一種典型的高速渦輪泵用機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，機(jī)械密封動(dòng)環(huán)或靜環(huán)的外周面加工有織構(gòu)。為提高計(jì)算效率，考慮到動(dòng)環(huán)和靜環(huán)沿圓周方向的對(duì)稱性，截取環(huán)整體的1/18作為計(jì)算域，建立包含動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、密封腔內(nèi)流體的計(jì)算模型，相關(guān)幾何參數(shù)如圖1、圖2和表1所示。

1.2 流動(dòng)傳熱控制方程

本文重點(diǎn)分析研究在不同織構(gòu)深徑比和轉(zhuǎn)速條件下機(jī)械密封端面溫度變化及密封腔和織構(gòu)內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)。為便于分析，可作如下假設(shè)：流體在接觸面上無(wú)滑移；忽略密封端面的表面粗糙度與波度、密封環(huán)的熱力變形和端面泄漏；不考慮介質(zhì)物性變化及熱輻射；由于接觸式機(jī)械密封泄漏量極小，故忽略端面處介質(zhì)泄漏對(duì)溫度場(chǎng)的影響?？紤]到密封環(huán)在腔體內(nèi)旋轉(zhuǎn)，腔內(nèi)流體容易處于湍流狀態(tài)，本文采用商業(yè)軟件ANSYS FLUENT 2020R2內(nèi)的SST k-ω湍流模型（下文簡(jiǎn)稱SST模型）來(lái)計(jì)算腔內(nèi)流體的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)，并結(jié)合能量方程來(lái)模擬計(jì)算傳熱及溫度場(chǎng)。已有的研究［9，11］使用了RNG k-ε湍流模型配合壁面函數(shù)作為流動(dòng)傳熱控制方程，但這種研究方法對(duì)壁面量綱一參數(shù)y+的依賴性較大［29-31］。其中，量綱一參數(shù)y+的定義以及RNG k-ε模型中y+應(yīng)滿足的取值范圍如下［31］：

式中，cμ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取cμ=0.09；k為湍動(dòng)能；ν為流體運(yùn)動(dòng)黏度；y為流體域內(nèi)第一個(gè)節(jié)點(diǎn)與固體壁面間的距離。

本文涉及織構(gòu)內(nèi)部速度場(chǎng)分析，若使用RNG k-ε模型配合壁面函數(shù)方法，則由于第一層網(wǎng)格不能過(guò)密，織構(gòu)內(nèi)小漩渦將會(huì)難以分辨，而SST模型通過(guò)混合函數(shù)F的不同取值，分別在近壁面區(qū)域和湍流旺盛區(qū)域使用k-ω模型和k-ε模型，這樣就能同時(shí)確保壁面換熱和織構(gòu)內(nèi)部流動(dòng)的計(jì)算精度，因此，本文使用SST模型，該模型y+僅需要滿足近壁區(qū)湍流模型（即k-ω模型）的要求，確保y+≤1即可［32-34］。

FLUENT中SST k-ω模型的穩(wěn)態(tài)不可壓縮流表達(dá)式如下：

式中，ρ為介質(zhì)密度；k為湍動(dòng)能；ω為湍流耗散率；Γk、Γω分別為k和ω的有效擴(kuò)散項(xiàng)；Gk、Gω分別為k和ω的方程；Yk、Yω分別為k和ω的發(fā)散項(xiàng)；Dω為正交發(fā)散項(xiàng)；Sk、Sω為用戶自定義源項(xiàng)；xi、xj為各坐標(biāo)方向的張量表示，下標(biāo)i、j為啞標(biāo)；ui為液相速度矢量的分量。

式（2）和式（3）中各項(xiàng)除Sk與Sω以外均由FLUENT默認(rèn)給出，本文不使用源項(xiàng)。其他計(jì)算中所涉及的模型常數(shù)的取值見(jiàn)表2，其中φ1、φ2為參數(shù)φ在計(jì)算過(guò)程中使用的中間值，φ=φ1F+φ2 （1-F），F(xiàn)為混合函數(shù)，F(xiàn)在近壁區(qū)取1，在湍流旺盛區(qū)取0；α為邊界層內(nèi)部剪切應(yīng)力與湍動(dòng)能之比；β為k方程的耗散項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)常數(shù);σk、σω分別為k方程和ω方程中的擴(kuò)散項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

1.3 渦分析方法

Ω方法定義了一個(gè)Ω：

其中，e是一個(gè)任意取值很小的正數(shù)，A是渦量中非旋轉(zhuǎn)（變形）的部分，B是渦量中旋轉(zhuǎn)部分，V表示對(duì)速度矢量進(jìn)行三維哈密頓運(yùn)算。這一方法推薦選取Ω≥0.52的等值面來(lái)展示渦，這一推薦閾值意味著渦量的旋轉(zhuǎn)部分超過(guò)了變形耗散部分，且這一數(shù)值適用于大多數(shù)經(jīng)驗(yàn)案例［24-25］。本文使用Tecplot的自定義方程計(jì)算密封腔內(nèi)各部位流場(chǎng)的Ω，并對(duì)內(nèi)部渦分布進(jìn)行了分析。

圖3為主軸轉(zhuǎn)速為5400 r/min時(shí)，分別使用Ω方法和渦量分析法獲得的密封腔內(nèi)部軸對(duì)稱平面上的漩渦強(qiáng)度云圖，Ω和渦量的數(shù)值越大表明漩渦強(qiáng)度越高?？梢钥闯?，由于動(dòng)環(huán)的旋轉(zhuǎn)，動(dòng)環(huán)外圓周近壁區(qū)的速度梯度遠(yuǎn)大于其余區(qū)域的速度梯度，因此采用渦量分析法得到在動(dòng)環(huán)外圓周近壁區(qū)出現(xiàn)了更大的渦量數(shù)值，而Ω方法則識(shí)別出了密封腔內(nèi)部存在兩

個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的主要漩渦（下文簡(jiǎn)稱主渦）。對(duì)于圖1所示的幾何結(jié)構(gòu)，密封腔可以近似視為一種內(nèi)壁面旋轉(zhuǎn)的有限長(zhǎng)同心圓環(huán)腔體內(nèi)部的泰勒庫(kù)艾特流［35］，顯而易見(jiàn)，Ω方法識(shí)別出的主渦形態(tài)符合泰勒渦的形態(tài)，而渦量分析法則完全無(wú)法識(shí)別，因此，Ω方法相比于渦量分析法更適合本文設(shè)計(jì)研究對(duì)象的流動(dòng)傳熱分析。

1.4 邊界條件

根據(jù)實(shí)際使用中高速渦輪泵機(jī)械密封的安裝特點(diǎn)，由圖1可知，密封腔內(nèi)流體的入口設(shè)置于動(dòng)環(huán)背部，出口設(shè)置于靜環(huán)外側(cè)。常用沖洗流量一般為8～25 L/min，這里為安全起見(jiàn)，選取下限值8 L/min作為沖洗流量的計(jì)算用值，因此計(jì)算得到入口流速約為0.1 m/s。端面的摩擦熱參考NIAN等［9］提出的方法進(jìn)行計(jì)算并加載于圖2所示的WR和WS面上，本文所使用摩擦熱公式中的關(guān)鍵參數(shù)為端面摩擦因數(shù)f，由摩擦狀態(tài)決定，軟硬配對(duì)的接觸式機(jī)械密封啟動(dòng)時(shí)端面摩擦因數(shù)較大，穩(wěn)定運(yùn)行后端面摩擦因數(shù)將會(huì)減小，一般取值范圍在0.1～0.2之間，極少數(shù)能達(dá)到0.25［36］，這一范圍適用于混合摩擦、邊界摩擦及干摩擦，又考慮到高轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致摩擦因數(shù)增大，本文選取f=0.15，這既不影響中低轉(zhuǎn)速時(shí)的產(chǎn)熱計(jì)算，也考慮了高轉(zhuǎn)速對(duì)端面產(chǎn)熱模型的影響。本研究認(rèn)為動(dòng)、靜環(huán)內(nèi)徑處與大氣之間存在熱對(duì)流，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式［37］可計(jì)算出對(duì)流傳熱系數(shù)分別為72 W/（m2·K）和0.1 W/（m2·K），最后，設(shè)置WR與WS為耦合壁面， 這樣FLUENT就會(huì)根據(jù)產(chǎn)熱量、溫度場(chǎng)及材料物性自動(dòng)將端面摩擦熱分配至動(dòng)環(huán)與靜環(huán)。具體邊界條件列于表3，表中T為壁面溫度，v為入口流速，p為出口壓力，q為壁面熱通量，h為對(duì)流傳熱系數(shù)，n為主軸轉(zhuǎn)速。各邊界編號(hào)見(jiàn)圖2，密封環(huán)材料和密封介質(zhì)的物性參數(shù)如表4所示。

1.5 參數(shù)定義

1.6 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性與模型正確性驗(yàn)證

采用ICEM軟件對(duì)所截取密封環(huán)和腔內(nèi)流體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，環(huán)與流體均采用完全六面體網(wǎng)格劃分，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行規(guī)則加密。圖4a為網(wǎng)格局部加密總示意圖，圖4b為動(dòng)、靜環(huán)外周加密示意圖，圖4c為端面加密示意圖，圖4d為織構(gòu)底面加密示意圖，圖4e為織構(gòu)側(cè)壁面加密示意圖，局部加密規(guī)則為：①確保壁面y+≤1；②邊界層至少鋪15層網(wǎng)格；③邊界層內(nèi)部網(wǎng)格尺寸增長(zhǎng)倍率為1.2～1.4，以接近1.2為宜。

網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證和模型正確性驗(yàn)證如圖5所示，其中Z為本研究模型中密封環(huán)軸向坐標(biāo)，z為文獻(xiàn)［41］所給的密封環(huán)軸向坐標(biāo)，零值為端面所在平面處軸向坐標(biāo)。圖5a所示為網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果，選取網(wǎng)格數(shù)N分別為5×105、1×106、2×106的網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，以端面徑向溫度分布為衡量標(biāo)準(zhǔn)。

如圖5a所示，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)增加至1×106時(shí)，再增大一倍網(wǎng)格尺寸，端面溫度曲線各點(diǎn)數(shù)值變化小于0.5 ℃，相對(duì)誤差在0.7%以內(nèi)，綜合考慮計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度，選取1×106數(shù)量網(wǎng)格作為計(jì)算網(wǎng)格。圖5b所示為模型正確性驗(yàn)證，可以看出，在對(duì)比文獻(xiàn)［41］所給參數(shù)條件下，使用本文模型計(jì)算所得的三個(gè)不同軸向位置的徑向溫度分布與對(duì)比文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)值的變化規(guī)律均吻合較好，各點(diǎn)溫度偏差均小于0.5 ℃，相對(duì)誤差均在1.5%以內(nèi)，優(yōu)于對(duì)比文獻(xiàn)的數(shù)值模擬結(jié)果。究其原因，本文主要改進(jìn)了所使用的湍流模型，RNG k-ε湍流模型要求壁面y+較大，而SST模型僅需加密邊界層確保y+≤1即可較好地符合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在流動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單時(shí)，RNG k-ε湍流模型能有效減少計(jì)算所需資源，但本文涉及跨尺度流動(dòng)問(wèn)題，使用SST模型效果更佳。

2 結(jié)果分析

2.1 動(dòng)、靜環(huán)織構(gòu)作用效果規(guī)律

圖6為不同深徑比情況下動(dòng)、靜環(huán)織構(gòu)對(duì)端面最高溫度的降低幅度曲線圖。圖6a與圖6b表明，與靜環(huán)織構(gòu)相比，動(dòng)環(huán)織構(gòu)強(qiáng)化換熱效果遠(yuǎn)勝，降溫幅度Δt平均高出5倍左右。除此之外，對(duì)不同深徑比γ下的動(dòng)、靜環(huán)織構(gòu)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，Δt隨γ的變化曲線存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)。動(dòng)環(huán)曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在γ=0.13附近，γ≥0.13時(shí)，改變?chǔ)脮?huì)對(duì)Δt產(chǎn)生顯著影響，γ減小0.09，Δt增大了100%（5 ℃）；γ<0.13時(shí)，改變?chǔ)脤?duì)Δt的影響較小，γ減小0.05，Δt僅增大了10%（1 ℃）。靜環(huán)也存在γ-Δt曲線突變點(diǎn)（對(duì)應(yīng)γ=0.1），但與動(dòng)環(huán)不同，當(dāng)γ>0.1時(shí)，織構(gòu)換熱效果變化不顯著，γ減小0.3，Δt可以認(rèn)為不變（增大了0.7 ℃，33%）；當(dāng)γ<0.1時(shí)，γ減小0.02，Δt就已經(jīng)達(dá)到了之前的總和（0.7 ℃），但總體而言，靜環(huán)織構(gòu)的換熱效果差，降溫幅度小，不推薦在此工況下使用。由于動(dòng)環(huán)換熱效果遠(yuǎn)勝于靜環(huán)換熱效果，進(jìn)一步擴(kuò)大轉(zhuǎn)速范圍，討論轉(zhuǎn)速n為1800～12 600 r/min工況下不同深徑比動(dòng)環(huán)織構(gòu)的降溫幅度變化規(guī)律，如圖6c所示。五種織構(gòu)的Δt/tnmax均隨轉(zhuǎn)速提高而減小，但大深徑比織構(gòu)在經(jīng)歷初期的驟降之后，在中高轉(zhuǎn)速下Δt/tnmax的減小幾乎可以忽略不計(jì)，而小深徑比織構(gòu)Δt/tnmax近似呈直線下降。

2.2 動(dòng)、靜環(huán)織構(gòu)強(qiáng)化換熱機(jī)理差異性分析

圖7為密封腔內(nèi)部軸對(duì)稱平面的漩渦強(qiáng)度云圖，圖7a所示為主軸轉(zhuǎn)速n=1800 r/min時(shí)的內(nèi)部漩渦強(qiáng)度，圖7b所示為主軸轉(zhuǎn)速n=12 600 r/min時(shí)的內(nèi)部漩渦強(qiáng)度，主渦集中于動(dòng)環(huán)和靜環(huán)外部，近似于泰勒庫(kù)艾特流［35］。兩個(gè)主渦的產(chǎn)生機(jī)理各不相同，靠近軸末壓蓋（圖7中Z軸正方向末端）的漩渦（渦1）是由壓力出口的回流撞擊軸末壓蓋和靜環(huán)外周形成的。動(dòng)環(huán)外側(cè)漩渦（渦2）的形成原因則較為復(fù)雜，渦1壓迫了入口流體的流動(dòng)范圍，迫使入口流體僅能從渦1的右側(cè)穿過(guò)，如此形成Y軸正向速度，但出口流道由于回流占據(jù)了部分范圍而變得較為狹窄，因此部分流體將會(huì)沿Z軸負(fù)向回流并撞擊頂部壁面，又因?yàn)槿肟诹鞯倪M(jìn)入，渦2的Z向范圍也受到了限制。在不同轉(zhuǎn)速下均觀察到了這一現(xiàn)象，但當(dāng)轉(zhuǎn)速提高時(shí)，渦心的漩渦強(qiáng)度增大，從0.8 （n=1800 r/min）增大至0.95 （n=12 600 r/min）；對(duì)設(shè)置織構(gòu)的機(jī)械密封進(jìn)行同樣的分析可知，兩個(gè)主渦的強(qiáng)度和位置幾乎不受織構(gòu)的影響。

進(jìn)行換熱機(jī)理差異性分析時(shí)需要對(duì)織構(gòu)內(nèi)和織構(gòu)周邊的換熱效率分布和速度場(chǎng)等進(jìn)行分析，由于本文織構(gòu)深度較淺（0.2 mm），側(cè)壁面面積過(guò)小，換熱能力可以忽略不計(jì)，因此本文將主要針對(duì)織構(gòu)底面和織構(gòu)周邊的外周壁面的換熱效果進(jìn)行研究。選取γ=0.13作為分析對(duì)象，圖8為n=1800 r/min、γ=0.13時(shí)靜環(huán)和動(dòng)環(huán)外周面換熱效率分布云圖，其中ηj0、ηd0 分別為n=1800 r/min時(shí)的靜環(huán)外周面換熱效率和動(dòng)環(huán)外周面換熱效率?？棙?gòu)上游和織構(gòu)下游以圓心為界，主流進(jìn)入側(cè)為織構(gòu)上游，主流離開側(cè)為織構(gòu)下游，織構(gòu)上游和織構(gòu)下游包括織構(gòu)外部附近的外圓周壁面，特別定義織構(gòu)下游較長(zhǎng)的顯著影響區(qū)為尾跡區(qū)。

在上文分析的基礎(chǔ)上，選取了圖9所示的切片位置作進(jìn)一步分析。圖9a所示為僅在動(dòng)環(huán)設(shè)置織構(gòu)時(shí)的切片位置，圖9b所示為僅在靜環(huán)設(shè)置織構(gòu)時(shí)的切片位置。無(wú)論密封環(huán)外周面是否設(shè)置織構(gòu)，在圖1和圖2所示的幾何及邊界條件下均具有周向軸對(duì)稱性，因此，選取中軸面即X=0截面進(jìn)行切片；Z=-1.5 mm和Z=4 mm位置分別為動(dòng)環(huán)織構(gòu)和靜環(huán)織構(gòu)最佳換熱效果的中心平面；圖9中①和②的虛線圓所示范圍是綜合了周向軸對(duì)稱性和外周面換熱效果選取的位置。

圖10為Z=-1.5 mm橫截面流線圖，其中vm為流體流速，通過(guò)三維速度矢量求模獲得。與半球形織構(gòu)類似［39-41］，圓柱形織構(gòu)也可分為流動(dòng)分離區(qū)、流動(dòng)循環(huán)區(qū)、沖擊區(qū)和流動(dòng)重附著區(qū)。入口側(cè)的流動(dòng)分離區(qū)與半球形織構(gòu)類似，出現(xiàn)在幾何突變點(diǎn)附近，此區(qū)域換熱效率低，換熱效率值接近于1；流動(dòng)循環(huán)區(qū)在動(dòng)環(huán)中表現(xiàn)為規(guī)則漩渦，在靜環(huán)中表現(xiàn)為雜亂流動(dòng)，但總體均沿幾何結(jié)構(gòu)向下游流動(dòng)，且此部分流體與織構(gòu)底面不發(fā)生接觸，對(duì)織構(gòu)底面換熱效率無(wú)增強(qiáng)作用；沖擊區(qū)成因與半球形織構(gòu)不同，是織構(gòu)入口位置循環(huán)區(qū)之外的流體在進(jìn)入織構(gòu)后形成垂直流動(dòng)并沖擊織構(gòu)底面形成的，這一流動(dòng)破壞了原本近壁面區(qū)域的熱邊界層，使織構(gòu)入口附近的換熱效率值接近于10；動(dòng)環(huán)織構(gòu)內(nèi)大部區(qū)域的流體流動(dòng)均以近似層流形式進(jìn)行，相應(yīng)熱邊界層厚度也開始增大，使動(dòng)環(huán)織構(gòu)底面換熱效率值規(guī)則地減??；最后，流體在出口附近出現(xiàn)了二次流動(dòng)分離和離開織構(gòu)后的流動(dòng)再附著，二次流動(dòng)分離產(chǎn)生了圖8中尾跡區(qū)中間的低換熱區(qū)域，而流動(dòng)再附著形成了高換熱長(zhǎng)尾跡區(qū)。

圖11為Z=4 mm橫截面流線圖，靜環(huán)織構(gòu)內(nèi)部流體流動(dòng)速度極低，同時(shí)內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)也與動(dòng)環(huán)織構(gòu)內(nèi)有較大的不同。入口分離區(qū)仍然位于幾何突變區(qū)附近，但循環(huán)區(qū)范圍增大，且深度范圍擴(kuò)大至接近h0，同時(shí)在下游位置出現(xiàn)了二次的循環(huán)區(qū)，2個(gè)循環(huán)區(qū)不僅壓縮了沖擊區(qū)范圍，還增大了局部熱邊界層厚度，因此靜環(huán)內(nèi)部換熱效率值極小。最后一個(gè)區(qū)域是下游附近的流動(dòng)再附著區(qū)，這一區(qū)域從下游循環(huán)區(qū)的上部開始，一直延續(xù)至下游較遠(yuǎn)的位置，對(duì)應(yīng)于圖8中靜環(huán)織構(gòu)下游ηj0>1.5的區(qū)域。

圖12為織構(gòu)內(nèi)部三維流線圖，為了能更直觀地顯示流線全貌，對(duì)固體壁面進(jìn)行了透明處理。圖12b表明靜環(huán)織構(gòu)內(nèi)部流體進(jìn)入織構(gòu)后會(huì)分為兩股，分別以紅、藍(lán)流線表示，紅色流線沿逆時(shí)針?lè)较蛄鲃?dòng)后緊貼壁面流出，藍(lán)色流線在織構(gòu)內(nèi)部形成較大范圍的再循環(huán)流動(dòng)，隨后順時(shí)針流出，藍(lán)色流線部分的流體在流出織構(gòu)時(shí)出現(xiàn)了與動(dòng)環(huán)相同的噴射流，這是圖8中靜環(huán)織構(gòu)下游僅有一塊再附著區(qū)且高換熱區(qū)范圍小的主要原因。圖12a中動(dòng)環(huán)織構(gòu)入口流分為了兩層，下層貼壁流體以紅色流線表示，這部分流體產(chǎn)生了圖10中的入口流動(dòng)分離區(qū)、循環(huán)區(qū)和部分沖擊區(qū)，隨后流體沿著側(cè)壁以漩渦的形式向兩側(cè)流動(dòng)，離開織構(gòu)后在外部形成兩塊再附著區(qū)并進(jìn)入下一織構(gòu)，是織構(gòu)下游長(zhǎng)條狀尾跡區(qū)的成因；上層流體以藍(lán)色流線表示，這部分流體進(jìn)入后，形成了圖10中部分沖擊區(qū)和下游附近的近似層流區(qū)，最后在下游織構(gòu)側(cè)壁產(chǎn)生分離區(qū)和噴射流，分離區(qū)和噴射流導(dǎo)致尾跡區(qū)中間出現(xiàn)低換熱區(qū)域。

2.3 深徑比對(duì)動(dòng)、靜環(huán)織構(gòu)強(qiáng)化換熱的影響分析

2.1節(jié)已經(jīng)說(shuō)明，深徑比對(duì)織構(gòu)強(qiáng)化換熱機(jī)理存在影響，本節(jié)將截取圖9中①和②虛線圓周邊區(qū)域，進(jìn)一步分別分析動(dòng)、靜環(huán)織構(gòu)γ發(fā)生變化時(shí)換熱效果的變化規(guī)律。圖13為各深徑比動(dòng)環(huán)外圓周換熱效率分布云圖，可以看出，當(dāng)γ減小時(shí)，織構(gòu)底部高換熱效果的相對(duì)面積開始減小，表明織構(gòu)的整體換熱效率有隨γ減小而降低的趨勢(shì)；當(dāng)γ<0.13時(shí)，織構(gòu)的尾跡區(qū)開始受到下一排織構(gòu)的幾何尺度限制，尾跡區(qū)范圍減小，尾跡區(qū)換熱效果變差。這解釋了為何織構(gòu)γ<0.13時(shí)，端面最高溫度的降溫幅度隨γ減小而增大的趨勢(shì)開始急劇減緩。

圖14為各深徑比靜環(huán)外圓周換熱效率分布云圖。與動(dòng)環(huán)相反，當(dāng)γ減小時(shí)，靜環(huán)織構(gòu)內(nèi)部換熱效果增強(qiáng)，且在本文研究的深徑比范圍內(nèi)，靜環(huán)織構(gòu)的主要換熱位置都是流體離開織構(gòu)后形成的尾跡區(qū)，改變深徑比僅僅改變了尾跡區(qū)的范圍和角度。

圖15為γ=0.08時(shí)動(dòng)環(huán)織構(gòu)內(nèi)部主流的橫截面流線圖，可以看出，深徑比減小時(shí)，主要流場(chǎng)變化不大，入口的循環(huán)區(qū)和沖擊區(qū)也仍然存在，這主要是因?yàn)樯疃确较虻膸缀纬叽鐩](méi)有發(fā)生變化，導(dǎo)致在入口附近小空間內(nèi)，深度方向的幾何突變幾乎沒(méi)有改變流場(chǎng)，但直徑尺寸的大小影響了入口循環(huán)流動(dòng)形成的漩渦尺寸。當(dāng)深徑比過(guò)小時(shí)，入口處循環(huán)流動(dòng)形成的漩渦將在深度方向增大，使得垂直流減弱，沖擊區(qū)范圍減小，高換熱區(qū)域縮小；其次，減小的深徑比使得織構(gòu)底面總面積增大，導(dǎo)致高換熱區(qū)域的相對(duì)面積減小，減弱了織構(gòu)的換熱能力。

圖16為γ=0.08時(shí)靜環(huán)織構(gòu)內(nèi)部主流的橫截面流線圖。對(duì)于靜環(huán)織構(gòu)，γ變小后入口位置循環(huán)區(qū)幾乎沒(méi)有發(fā)生變化，但右下角的二次循環(huán)區(qū)占比顯著減小了，這變相增大了沖擊區(qū)的面積占比。循環(huán)區(qū)是低換熱區(qū)，沖擊區(qū)是高換熱區(qū)，二者的相對(duì)面積變化使得靜環(huán)換熱效率隨深徑比減小而提高。此外，小γ時(shí)靜環(huán)織構(gòu)內(nèi)部流速仍然接近于0，因此雖然靜環(huán)內(nèi)部換熱效率值有所增大，仍然比動(dòng)環(huán)內(nèi)部換熱效率值小得多。

雖然小深徑比動(dòng)環(huán)織構(gòu)和大深徑比動(dòng)環(huán)織構(gòu)在主流方向橫截面的流線相差不大，但上述兩種動(dòng)環(huán)織構(gòu)的內(nèi)部垂直主流方向流場(chǎng)則出現(xiàn)了較大的不同。圖17為不同深徑比動(dòng)環(huán)織構(gòu)X=0截面局部流線圖，可以看出，兩種情況下織構(gòu)內(nèi)部流體均存在左右兩側(cè)同時(shí)進(jìn)入織構(gòu)的情況， γ=0.2時(shí)左側(cè)入口流體占據(jù)主體，右側(cè)入口流體僅在進(jìn)入織構(gòu)后的小范圍內(nèi)生成漩渦；γ=0.08時(shí)，左右兩側(cè)進(jìn)入織構(gòu)的流體在織構(gòu)中心區(qū)產(chǎn)生了碰撞，并且在碰撞界面附近形成了兩個(gè)強(qiáng)烈的漩渦，這些漩渦外層的流體又在織構(gòu)底面附近呈現(xiàn)出近似層流的流態(tài)，降低了小深徑比織構(gòu)中心及下游位置的換熱效率，但對(duì)于靜環(huán)織構(gòu)，并無(wú)這一現(xiàn)象。

2.4 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)動(dòng)環(huán)織構(gòu)強(qiáng)化換熱的影響分析

選取γ=0.1和γ=0.2分別代表大深徑比和小深徑比兩種情況進(jìn)行進(jìn)一步的分析。圖18為γ=0.1和γ=0.2時(shí)n分別為1800 r/min和12 600 r/min工況下的動(dòng)環(huán)織構(gòu)換熱效率云圖，可以看出，在轉(zhuǎn)速提高后，換熱效率值減小，驗(yàn)證了前文所獲得的規(guī)律，即在高速情況下，織構(gòu)的換熱效果變差。此外，轉(zhuǎn)速提高后，尾跡區(qū)換熱效率值也隨之減小。

3 結(jié)論

（1）織構(gòu)強(qiáng)化換熱機(jī)理是外周面織構(gòu)的設(shè)置促成了垂直于壁面的流動(dòng)，該流動(dòng)通過(guò)破壞流體繞流的熱邊界層，增大了局部努塞爾數(shù)，增強(qiáng)了換熱效果。

（2）靜環(huán)外周面織構(gòu)內(nèi)部及其周邊流速均低于動(dòng)環(huán)外周面織構(gòu)對(duì)應(yīng)區(qū)域的流速，熱邊界層較厚，因此前者換熱效果遠(yuǎn)不如后者。

（3）當(dāng)深徑比減小時(shí)，入口處循環(huán)渦旋將會(huì)增大，入口垂直流受到循環(huán)渦旋影響，占據(jù)范圍減小，使得沖擊區(qū)范圍被壓縮，局部努塞爾數(shù)減小。

（4）轉(zhuǎn)速增大時(shí)，流體在織構(gòu)內(nèi)部平行于壁面方向流速的增幅遠(yuǎn)大于垂直于壁面方向流速的增幅，流體流動(dòng)方向與壁面間夾角減小，導(dǎo)致織構(gòu)整體換熱效果變差。此外，對(duì)于小深徑比織構(gòu)，將會(huì)在下游形成新的循環(huán)區(qū)，使局部努塞爾數(shù)急劇減小。

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