圆微孔及几何参数对机械密封颗粒分布的影响

第2期
2021年2月
94机械设计与制造
Machinery Design & Manufacture 圆微孔及几何参数对机械密封颗粒分布的影响
陈胡炜，吉 华，李倩,冯东林
(四川大学过程装备与安全工程系，四川成都610065)
摘要：由于目前关于微小颗粒在微孔端面机械密封间隙流体中的分布规律的研究较少，所以基于连续介质模型，建立 了圆形微孔端面机械密封间隙流体的固液两相流数值模型。

根据计算结果，分析了密封间隙流体中颗粒的分布规律:从
外径到内径,颗粒体积分数逐渐增大,而且每个微孔单元内的颗粒分布规律相似；液体在微孔内形成了涡流，颗粒在涡流 中心区域大量聚集。

最后，讨论了微孔几何参数对颗粒分布的彩响:在不同转速下，微孔面积比、微孔深度的增大都能提
高孔内区域的颗粒量。

关键词:机械密封;圆形微孔;固液两相;颗粒分布中图分类号:TH16;TH117.2文献标识码:A
文章编号:1001-3997(2021 )02-0094-04
Influence of Circular Micro-Dimples and Geometric Parameters
on Particle Distribution of Mechanical Seal
CHEN Hu-wei, JI Hua, 11 Qian, FENG Dong-lin
(Department of Process Equipment and Safety Engineering, Sichuan University, Sichuan Chengdu 610065, China)
Abstract :Micro particle distribution in the fluid of mechanical seal with micro -dimples is seldom studied. Based on the
continuum model, a solid-liquid two-phase flow numerical simulation for mechanical seal with circular micro-dimples was developed. According to the calculation result,the distribution qf partwles in fluid was analyzed. The volume fraction, of
particles increases from the outer diameter to the inner diameter,and the distributions of p articles in each unit are similar. The vortices are farmed in the micro -dimples , and a large proportion of p articles are gathered in the central area qf the vortices.
Moreover,the particle distribution at different geometric parameters were discussed. At different rotational speed,the amount cf particles increases in the dimple area when the area ratio and the depth (^dimple increase.
Key Words : Mechanical Seal ； Circular Micro-Dimples ； Solid-Liquid Two-Phase ； Particle Distribution
1引言
表面织构作为减少摩擦的有效手段，在理论上和实验中都 被证明是有效的，普遍认为其有储油、降低静摩擦、动压效应和容
渣桃用。

1996年，文献m 开始了微孔端面机械密封的研究，并在工业
现场进行了舷用。

屿，大量微织构理论与实验研究从机理和 性能两个方面开展。

提高承载能力的机理主要有局部空化、入口
粗糙度、多孔富集效应、入口吸入、平衡楔效应等冋,减少泄漏率
的机理主要有反向泵送珥出口回吸瞻。

另一方面，采用试错法
(trial and error),寻找合适的微织构形状、微孔面积比、微孔深度
和微孔排布方式等，以期改善开启力、泄漏率和摩擦转矩等密封
性能冋。

目前密封间隙多相流的研究主要基于气液两相流，针对 固相颗粒在密封间隙流体中的分布的研究较少。

连续性介质模型在固液两相流动研究中应用较多，成熟稳 定，计算效率较高，在固液两相润滑领域有大量的理论和应用研
究冋。

在机械密封领域,2015年,文献网应用连续性介质模型，对
螺旋槽端面机械密封进行固液两相和气固液三相流动数值模拟,
得到了密封间隙的颗粒分布规律，分析了在颗粒相存在的情况 下,工况参数和几何参数对密封性能的影响。

在上述工作的基础上,基于连续性介质模型,以圆形微孔端 面机械密封的间隙流体为研究对象，分析了颗粒的分布规律，并
进一步讨论了不同转速下微孔面积比和微孔深度等几何参如 颗粒分布的影响。

2计算模型
2.1几何模型
微孔分布示意图，如图1(a)所示。

其中，密封环内半径沪
来稿日期:2020-05-14
基金项目:德阳重点科学技术研究项目(GXCC20180013)
作者简介:陈胡炜,(1995-),男，湖南澧县人，硕士研究生，主要研究方向:流体机械密封；
吉 华,(1972-),男,四川武胜人，博士研究生，副教授，主要研究方向:流体机械
第2期陈胡炜等：圆微孔及几何参数对机械密封颗粒分布的影响95
24mm,外半径r°=34mm。

由于微孔的周期性分布,所以选择其中任意一个周期进行数值计算，如图1(b)所示。

称为计算域。

每个周期均匀分布10个微孔单元，共150个周期。

图1(c)白色部分表示B-B截面密封间隙流体，由孔外区域和孔内区域两部分组成。

微孔位于静环表面，动环转速为“,如图］所示。

周向两面设置为周期性边界，如图1(b)所示。

静环和动环表面均定义为壁面;外径处设置为压力进口,内径处设置为压力出口，外径也是颗粒相进口，颗粒浓度由颗粒进口体积分数%指定。

B t
cf
I
(b)
图］微孔分布和计算域
Fig.1Micro-Dimples Distribution and Calculation Domain
采用UG软件建立密封间隙流体的三维模型，使用ICEM CFD进行网格划分，在Huent软件中进行数值计算，通过后处理软件CFD-Post得到相关数据和云图。

密封间隙流体模型r-0平面尺寸为毫米级,z向尺寸为微米级,有网格跨尺度无关性问题。

经过网格无关性分析,r-6平面网格尺寸取0.01mm,孔外区域z 向网格尺寸取0.25jim,孔内区域z向网格尺寸取0.55|jLmo 计算参数,如表］所示。

部分改变的计算参数的选取:第3节中,/i p=5lim,S p=20%,n=2400r・min」;第4」节中，除S”外，其他几何参数与第3节相同;第4.2节中,除如外,4.2节的几何参数与第3节相同。

表1计算参数
Tab.1Calculation Parameters
数值参数数值微孔深度hjpm3,5,7,9颗軽口
0.15
微孔面积比印％10,20,30,40体积分数盛
转速n/xlO^-min-1 1.2,24,3.6颗粒直径d/^m1
液糊度》)/Pa・s0.001内径压力_p/MPa0.1
液体密度p/kg*十998.2夕卜径压力WMPa0.6
颗粒密度咖曲3170液膜厚度g2 2.2Fluent求解器设置
计算假设:(1)忽略空化效应;(2)密封间隙流体流动为层流;(3)间隙流体与密封端面无相对滑动;⑷颗粒为球形，尺寸是微米级，且大小均匀;⑸忽略温度、重力的影响，密封间隙液体粘度保持不变。

采用Eulerian多相流模型作为微孔端面密封间隙流动的计算模型，它是一种连续性介质模型，此模型用颗粒体积分数a表示颗粒浓度。

压力与速度耦合算法采用Phase Coupled SIMPLE,动量离散方法采用First order upwind,体积分数离散方法采用First order upwindo
3密封间隙流体中颗粒分布规律
为了对比密封端面有无微孔时颗粒分布的区别，所以在这两种情况下进行了数值计算,这两种情况下靠近静环的间隙流体的压力分布和颗粒分布云图，如图2所示。

当密封环没有微孔时,从外径到内径，流体压力线性降低,颗粒体积分数a逐渐增大,如图2(a)、图2(b)所示。

存在微孔时,由于动压效应使得每个微孔单元出现了高压区和低压区,颗粒在每个微孔单元内都呈一定的规律性分布，并且这种微孔单元的颗粒分布规律从外径到内径越来越明显，如图2(c)、图2(d)所示。

"N I W I叩？|卩的，阳？*,0.,52|卩卩論
(a)压力分布(无微孔)
0.050.070.090」10」30.150.17
⑹颗粒分布(无微孔)
0.000.130.250.380.510.640.77
…”i—p/MPa
(c)压力分布(有微孔)
0.000.040.080.120.160.200.24
Q)颗粒分布(有微孔)
图2靠近静环的间隙流体的压力分布与颗粒分布
Fig.2Pressure Distribution and Particle
Distribution of Fluid Close to Stator
在密封间隙内，由于压力在液膜厚度方向上几乎不发生变化,所以只需要选取沁方向上的任意〜面的压力分布进行研究即可,而颗粒分布并不是女眦,需研究液膜方向上的颗粒分布。

由于各微孔单元内的颗粒分布规律都是相似的，所以只需选择一个微孔单元进行研究。

为了研究主流动方向和密封环径向的颗粒分布规律，选择了靠近内径的微孔单元内r=24.5mm的B-B截面、r=24.3mm的C-C截面和4-4截面进行分析，截面位置，如图1(b)所示。

这3个截面的颗粒分布及流线图，如图3、图4所示。

主流动方向为从右向左，如图3所示。

孔内区域的颗粒体积分数明显大于孔外区域的颗粒体积分数，如图3(a)所示。

液体在微孔内形成了涡流，涡流中心区域位于微孔中部偏上的位置(图中白色区域fl所示),涡流中心区域液体基本不流动,颗粒在此区域大量聚集，形成颗粒密集区域，如图3(c)所示。

颗粒主要受到液体曳力(粘性力)和压力梯度力。

在沿主流动方向切出的液膜截面上，如B-B或C-C截面,液体曳力占主导地位,如果只考虑液体曳力弘其计算公式冋为：
坊=4C”|“厂"」(吗)⑴式中:A—与液体、颗粒的物性有关的常数;C”一曳力系数;云&一液体速度和颗粒速度。

No.2Feb.2021
96
机械设计与制造
由式(1)可知,曳力的大小正比于液体与颗粒速度差的平 方,当液体流经微孔时，液体速度发生变化，液体与颗粒间出现速 度差，所以产生液体曳力，使颗粒趋向于液体的速度。

当颗粒到达
涡流中心区域上部位置时，液体速度变为零，颗粒因惯性进入涡
流中心，并在液体曳力的作用下停下来，所以涡流中心区域聚集 了大量的颗粒。

由于大量颗粒进入微孔时在涡流中心区域聚集,
导致进入微孔底部的颗粒较涡流中心区域要少很多，所以微孔底 部液体的速度虽然也较低，但也不会有大量的颗粒停留。

由于q 增大即微孔半径$增大，沿主流动方向上微孔尺寸也增 大，该方向上涡流中心区域的尺寸也增大。

再者,S ”越大,微孔体 积越大，导致孔内区域停留的颗粒增多。

最终，血都随着禺的增
大而增大。

n=1200fmin -1n=2400r-min -1n=3600r ,min -1
(a)B-B 截面(b)C-C 截面
0.10 0.12 0.14 0.16 0.17 0.19 0.210.100.16
图3B-B 与C-C 截面的卿糙分布、流线图
Fig3 Particle Distribution and Streamline of Section B-B and C-C
(d)C-C 截面
62 6.16 z 、
如/(n r 屮)
0.4
4.2.0.86 1£
JS41
迫勲 鼬
K
(c)B-B 截面
0.00
1.54
0.00 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24
10 15 20
25 30 35 40
微孔面积比济
图5目对血的影响Fig5 Effect uf Sp on Ry
图6髦对B-B 截面的颗粒分布、臓的影响(iOWminT)
Fig.6 Effect of S p on Particle Distribution and
Streamline of Section B-B (/j=2400r*miii _1)
4.2微孔课度对颗粒分布的影响
图4 44截面的颗粒分布
Fig.4 Particle Distribution of Section A-A
最右侧为内径，如图4所示。

可以看出，在孔内区域，同一
高度的颗粒休积分数中间小，两端大。

这是由于微孔是圆形，如 图3,从B-B 截面到C-C 截面，微孔沿主流动方向上的尺寸变
小，所以颗粒在微孔内的流动范围和涡流中心区域的尺寸都变 小，导致颗粒的聚集更加集中。

又由于液体和颗粒在沿径向方
向上受到压力梯度的作用,存在指向内径的分速度，所以在靠近 内径的微孔端的颗粒体积分数比远离内径的微孔端的颗粒休积
分数稍大，这也是整个计算域内的颗粒体积分数从外径到内径 逐渐增大的原因。

4几何参数对颗粒分布的影响
微孔端面机械密封主要通过改变微孔的形状、几何参数以 及微孔的分布来提高密封性能凹，所以研究微孔面积比和微孔深
度对瞬分布的影响。

4.1微孔面积比对颗粒分布的影响
由于颗粒直径和密度一定，所以用颗粒总体积v f 表示颗粒 量。

“是孔内区域的颗粒总体积沧与孔外区域的颗粒总体积
V#的比值，即/iTJ 才,如图5所示。

通过对比備来研究孔内外
区域的颗粒量随着几何参数的变化规律，可以看出，在不同转速
下,Ry 都随着S ”的增大而增大。

在不同转速下，颗粒分布与流线 图的变化规律相似，选取n=2400r ・minJ 的情况进行分析，如图6
所示。

首先,Sp 越大，颗粒密集的涡流中心区域的面积越大。

这是
3 4 5
6 7 8 9
微孔深度g
图7训皿的影响Fig.7 Effect of h p on R v
h^|
ftp=3pjn 0.00 1.54
妇=5j im
3.08
4.62
妇=7j im
6.16
■
」
uiK m ■尸)
妇=3昨 尽=5pjn Ap=7pjn 0.08 0.11 0.13 0.16 0.19 0.21 0.24
图8妇对丘』截面的颗粒分布、流线图的影响(x2400厂min 」)
Fig,8 Effect of hp on Particle Distribution and
Streamline of Section B-B (n=2400r*min _1
)
No.2
Feb.2021机械设计与制造97
在不同转速下,都随着如的增大而增大，这与S”对小的影响相似，如图7所示。

在不同转速下，颗粒分布与流线图的变化规律相似，选取n=2400r・minT的情况进行分析，如图8所示。

h p 越大，涡流中心区域面积越小，在涡流中心区域聚集的颗粒也越少，孔内区域的颗粒分布也逐渐趋于均匀。

虽然涡流中心区域聚集的颗粒变少，但是因为h p增大，微孔体积增大,整个孔内区域停留的颗粒增多，所以Ry随着h p的增大而增大。

5结论
(1)机械密封端面的圆形微孔改变了密封间隙流体中颗粒的分布，颗粒在每个微孔单元内都有相似的分布规律。

⑵液体在微孔内形成涡流,颗粒在涡流中心区域聚集，这是导致孔内区域颗粒体积妙大于孔外区域颗粒杠通的主要原因。

⑶几何参数对颗粒分布有影响。

s”和h p的增大都能提高孔内区域的颗粒总体积。

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(上接第93页)
4结论
在碳纤维复合材料的磨削过程中，磨削力随着GFA的变化而
变化,且大小顺序为45°>90°>0°,表面粗糙度大小与之相反;材料去除过程中,与基翊料相比，虧潍M加X结果的影响更大;GFA 对已加工S面微观结构起重要作用，不同GFA下产生的损伤形式不同，磨削纤维角为0。

时材料去除机制是以弯曲破坏为主,90。

时
以剪切破坏为主,45。

时则是由弯曲和剪切破坏共同弓I起。

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