基于流固热耦合的高温高压动压机械密封机理研究

工作在高温、高压、放射性环境、有毒、易燃易爆物质等极端条件下的流体动压机械密封其密封机理复杂, 涉及到流体力学、润滑、摩擦、传热、材料性质、机械设计、机械动力学等多学科知识，因多场耦合的基础研究薄弱，所以机理研究进展缓慢，密封设计和应用大多数依赖经验和试验。本课题将多学科基本理论相结合，开展基于流/固/热耦合条件的极端工况动压机械密封启动（或低速运行）及其稳定工作状态下的工作机理研究，提出热变形、力变形和流体膜之间相互作用的工程问题解耦方法，建立多场耦合的高温高压流体密封启动（或低速）工作混合润滑模型，并揭示密封在稳定工作状态下的性能规律，阐明主要结构参数对密封工作性能的影响，为高温、高压极端工况下可靠预测密封的工作状态，优化其工作性能，指导密封设计提供理论基础。

课题以工作在高温、高压、高速条件下的具有波度、锥度及坝区的动静压结合型机械密封为对象，研究了启动、稳定状态和轴向扰动时的工作机制、运行规律并进行了初步的实验验证。.采用数值方法，研究了密封启动阶段流固热多场耦合混合润滑机制，揭示出多场耦合作用下密封表面粗糙度对其工作性能的影响规律，实验结果初步验证了该模型的合理性；.采用等温模型研究了波度密封开启达到稳态的过渡过程和稳态工作下的作用机理与运行规律。结果表明，波度的存在缩短了密封达到平衡状态的时间；提出了该类动静压机械密封表面微观形貌参数表征的波锥比参数，更加清晰地将波度密封动、静压工作机理进行了解耦，深化了对该类密封工作机理的认识；对具有表面复杂微结构流体动密封的空化问题进行了研究，提出了采用JFO流量连续边界条件有限元算法，为机械密封空化问题提供了更加合理的解决方法；对波度密封的几何参数影响分析揭示出，周向波度使密封周向存在势能流动，从而降低了锥度的静压承载能力；针对该类密封重要的应用背景-压水堆核主泵使用工况，得出在满足泄漏量要求及给定锥度（约650rad）下的最佳波度数为9。.采用有限元方法建立了以波度密封组建为对象的多体组合流固耦合分析模型，揭示出采用硬质合金材料与石墨配副的机械密封组合形式，在工作压力小于5MPa时，其表面由于流体压力造成的弹性变形非常小可以忽略，其端面形状的改变主要原因是机械密封组件以密封背面辅助密封为支点产生的翻转，此变形将使密封端面形成发散间隙。.采用有限差分与有限元方法相结合的方法，建立了三体、三维波度密封流热耦合模型，阐述了波度密封热变形的影响机制；通过理论分析和模拟试验验证了模型在密封主要性能预测上的准确性；提出了在三体模型的跨尺度温度场计算中使能量方程数值计算提高收敛性的有限差分离散方法，并给出两种密封入口边界温度修正边界条件，解决了常用边界条件下温度不连续的问题；揭示了波度密封热变形对密封性能的影响及主要结构参数和工况参数的影响规律；探索了准确测量密封间隙和密封出口温度的测量方案，为密封微观性能的研究提供了有益的参考。.采用流量连续的JFO边界条件，考虑副密封环摩擦和阻尼特性，研究了静环具有轴向扰动下的密封动力学特性，揭示了具有一定阻尼下的密封环追随特性。.探索了光纤位移传感器进行密封间隙测量的可行性及介质对测量精度的影响，证明了其可行性。