接触式机械密封的表面润湿效应及泄漏抑制机理研究

At requirements of resource conservation, production safety and environmental protection in the new century, leakage of contact mechanical seals has become the focus of scholars and engineers at home and abroad attention again. Considering the important role of surface wettability on fluid flow in microchannel, the effect of surface wettability and its inhibitory mechanism of leakage of contact mechanical seals will be carried out from numerical simulation, theoretical analysis and experimental studies in turn: firstly, using lattice Boltzmann method and combining the Shan-Chen model, the influence of surface wettability on leakage rate can be obtained by establishing the porous medium model of real seal interface and the variation mechanism of leakage caused by the changes of surface wettability can be illuminated. And then, the theoretical model about the parameters such as surface wettability, sealing medium pressure, viscosity, porosity and pore dimension will be built up based on modified Hagen-Poiseulle equation and theories of fractal and slip. Eventually, the subject will put forward the theories and methods of regulate mechanism of leakage of contact mechanical seals due to the modification of surface wettability by the comparison of experimental results, carried out under different surface wettabilities, and numerical as well as theoretical results, which can lay the foundation for the optimal design, further applications as well as the long-term safe operation of contact mechanical seals.

新世纪节约资源、安全生产和环境保护的要求，使得接触式机械密封的泄漏问题再次成为国内外学者关注的焦点。考虑到表面润湿性在微通道流体流动中的重要作用，本项目从数值模拟、理论分析和试验研究三个层面开展接触式机械密封的表面润湿效应及泄漏抑制机理研究：首先建立真实密封界面的多孔介质模型，采用格子Boltzmann方法并结合Shan-Chen模型数值模拟研究表面润湿性对泄漏率的影响规律，阐释表面润湿性改变的减阻增漏或增阻减漏机制；随后基于修正的Hagen-Poiseulle方程，结合分形理论和滑移理论，建立泄漏率关于表面润湿性以及密封介质压力、黏度、孔隙率、孔隙尺度等参数的理论模型；最后通过开展不同表面润湿性条件下的机械密封性能试验，对数值模拟和理论分析结果进行对比论证，进而提出基于表面润湿改性的接触式机械密封泄漏抑制的理论和方法，可为接触式机械密封的泄漏干预、应用范围的拓展和长周期安全运行奠定基础。

面对泄漏失效造成的生产安全、环境污染和资源浪费等问题，本项目针对工业装备的动力输入轴和腔体之间装设的接触式机械密封，考虑密封界面间表面润湿性因素的影响，从数值模拟、理论分析和试验研究三个层面开展了其泄漏通道流体的流动特性研究：首先从真实的接触式机械密封密封界面数据出发建立了密封界面的多孔介质模型，提出了最大孔隙直径的计算方法，探讨了不同密封压力下孔隙率、分形维数及最大孔隙直径的变化规律；以所建立的多孔介质模型为计算域，采用介观的格子Boltzmann方法并结合Shan-Chen模型数值模拟研究了密封界面间流体的流动特性，重点探讨了表面润湿性对流动特性的影响规律，并阐释了表面润湿性改变的增阻减漏机制；基于修正的Hagen-Poiseulle方程，结合分形理论和滑移理论，通过引入表面接触角和滑移长度的关系，建立了泄漏率关于表面润湿性以及密封介质压力、黏度、孔隙率、孔隙尺度等参数的理论模型，并与现有模型、试验数据进行对比论证了其可行性；对现有常用机械密封的不同运行阶段及端面不同位置处的表面润湿性进行了评定，并通过开展不同表面润湿性条件下的机械密封性能静态泄漏试验，对数值模拟和理论分析结果进行了对比论证。研究结果表明：所建立的基于多孔介质分形模型和基于介观格子Boltzmann方法的数值模拟能够较好地获取接触式机械密封界面的流动特性；表面润湿性对于接触式机械密封的泄漏具有不可忽视的影响，亲水界面由于负滑移长度的存在使得与疏水界面相比泄漏率较低，因而可通过改变材料特性或者表面粗糙度的方法改变表面润湿性进而实现泄漏抑制；现有常用机械密封的不同运行阶段及端面不同位置处的表面润湿性表现不同，随着摩擦磨损的进行和端面位置所处直径的增大，表面接触角逐渐增大。研究结果可为接触式机械密封的泄漏干预、应用范围的拓展和长周期安全运行奠定基础。