非接触式机械密封间隙中的杂质颗粒两相流动研究

密封介质中的杂质颗粒对于非接触式机械密封的工作状态和性能有重要影响。本课题采用数值模拟和实验研究结合的方法对密封间隙中杂质颗粒的运动、沉积及磨损问题进行研究。数值模拟采用格子Boltzmann方法，在前人工作的基础上，建立可考虑表面粗糙效应的微管道颗粒两相流的三维格子Boltzmann模型。以两相流Micro-PIV技术进行微管道内的颗粒两相流动的观测实验，得到流场速度和颗粒分布情况，对数值方法进行考核。以本课题发展的数值方法并辅以常规密封实验，研究几种典型非接触式密封的端面构型参数对于杂质颗粒沉积和磨损的影响，并据此指导密封端面构型参数的设计。

对于非接触式机械密封间隙内的颗粒两相流动问题，以理论和实验相结合的方法进行了研究。基于连续介质理论，采用颗粒的对流扩散方程对颗粒在微管内的沉积规律进行了研究，发现颗粒沉积速率随沿流动方向呈增大的趋势，致使端面沿流向的锥角越来越大，因而密封泄漏率增大。采用格子玻尔兹曼方法对粗糙微管内的泊肃叶流动和库埃特流动进行了模拟，相关的结果表明，格子玻尔兹曼方法能够对粗糙微管内的压力驱动和速度驱动流动进行有效的分析，可以获得粗糙微管中的流动细节，以及粗糙表面对于流动的影响规律。设计了实验装置与回路，对核主泵水化学环境下常用密封材料表面的颗粒沉积问题进行了实验研究，实验发现不同材料对颗粒的沉积反应不同，氧化铝材料表面最易发生颗粒沉积，沉积效果最明显，而氮化硅材料沉积现象不明显，沉积量亦不大。在透明环机械密封实验台上，利用荧光粒子和光路设计，成功地实现了对颗粒沉积现象的观观测，对顺流泵送和逆流泵送两种不同槽型的颗粒沉积规律进行了研究和对比。