基于飞鸟翼翅外形结构特征的干式气体密封端面织构仿生设计研究

干式气体密封(DGS)是高参数大型压缩机和大轴径低速低压罐釜的关键部件，其端面开启及密封与稳定的综合要求面临挑战。为此，通过观察、分析并应用逆向重构技术提取不同空域中具有特殊飞行本领的鸟类翼翅外形几何结构特征，探索特征参数对其飞行能力的影响，揭示翼翅特征与DGS表面织构特征间的关联本质与规律，提出仿生端面织构气体密封(BDGS)新概念；综合考虑尺度效应、表面粗糙度效应和滑移效应等，通过建立与求解热-流-固耦合模型，对比研究N-S方程与分子动力学两种数值模拟方法下的BDGS端面润滑、密封性及稳定性，并结合试验研究和CFD模拟，探索端面变形和端面织构之间的协同效应，揭示端面织构对BDGS在极端工作条件下的成膜机理及端面升举与开启特性的影响规律，阐明表面织构和密封与动力学性能之间的构效规律，形成拥有自主知识产权的新型BDGS系列及其设计理论与方法，满足我国对高端液气密产品的迫切需求。

干式气体密封（DGS）是高参数大型离心压缩机和大轴径低速搅拌罐釜的关键部件，其在高速高压条件下密封端面易遭受热力变形和气膜失稳，在低速低压条件下密封端面难以快速开启，易发生磨损。本课题拟基于仿生学、气体润滑和气体热力学等相关理论，数值模拟仿真结合试验研究，力图解决上述部分问题，完善DGS设计理论与方法。首先，通过观察和提取自然界不同空域中具有特殊飞行本领鸟类的翼翅外形几何结构特征，探索翼翅特征参数对其飞行能力的影响，揭示了翼翅特征与DGS表面织构特征间的关联本质与规律，提出仿生端面织构气体密封（BDGS）新概念。其次，综合考虑表面粗糙度效应、滑移流效应和热力效应等，建立并求解了流固耦合模型，基于N-S方程对比分析BDGS的端面润滑、密封性和稳定性，并结合模拟工况台架实验和CFD模拟，揭示了仿生端面织构形貌特征和尺度对端面开启特性、成膜机理和稳定性的影响规律，提出BDGS性能的演化规律，阐明密封表面织构与密封性能的构效规律。最后，初步形成拥有自主知识产权的新型BDGS系列及其设计理论、方法和体系，专利新产品通过台架实验测试考核，达到预期设计要求。