活塞速度对迷宫密封性能影响的数值分析.pdf

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1、第38卷第1期化工机械9l活塞速度对迷宫密封性能影响的数值分析王松涛1．刘智勇1王东林2(i．兰州交通大学；2．华北石化公司)擅要通过对迷宫密封机理的分析。利用流体力学原理建立数学模型并进行数值计算。得出了在速度变化情况下的气体泄漏规律。关麓词迷宫密封泄漏量活塞变速度中图分类号TQ051．2l文献标识码A文章编号0254-6094(2011)Ol-0091-03迷宫密封是由各种形状的曲折通道构成，通过增加流体流动的局部动能损失来减少流体的泄漏鼍。采用迷宫密封可减少摩擦损失，提高流体机械的可靠性。因此，提高迷宫密封的性能是目

2、前流体机械领域研究的重要课题。简而言之，迷宫密封就是通过增加流体的流动阻力实现密封的目的¨。1。随着Fluent等CFD软件旧1的广泛运用和数值仿真技术的进步，CFD和K-e湍流模型被广泛应用于迷宫密封的研究中¨q1。以往作者在数值模拟计算中忽视了活塞速度的变化¨J一1，笔者结合活塞变速度和迷宫效应的作用时间，通过数值模拟综合分析迷宫变活塞速度下的流场情况，得出其泄漏鼍的计算方法。1泄漏■的理论分析1．1活塞运动规律的分析活塞速度是影响迷宫效应的一个很重要参数。以往在数值模拟计算中忽视了活塞速度的变化，然而在实际运转中，活

3、塞的速度随着曲轴的旋转角度等参数的变化而变化。根据活塞位移、速度与曲轴转角的关系，考虑了曲轴中心与气缸中心线之间的偏心距H，得出活塞速度变化规律¨1：卟rsinO+薛篙揣撵㈩式中TUU——曲轴旋转角速度，rad／s；r——曲轴半径，m；￡。——连杆大、小头中心距，m。1．2泄漏量的分析迷宫密封内泄漏流体的流动规律服从质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。因此采用通用变量由，并用同一程序对各方程进行统一求解，则上述各方程可以表示成以下通用形式⋯：掣+diV(p呻)=div(驴gra㈨+s(2)其展开形式为：业+i!已堕!

4、+曼!趔2+鱼!笆垒2aIa，aya；=击(妒等)+击(妒等)+去(妒警)+s(3)式中西——通用变量。谚——广义扩散系数5S——广义源项。在此通式的基础上，通过一系列的推导计算后，采用迭代计算程序。得出泄漏量的计算方程⋯：GI-y。^赝知㈧)(4)令A。；芋g(AI)=一3．0495+7．599A。一7．014A‘2+2．945A‘’0．462AI‘(5)其中￡=l。2。⋯，n。·王松涛．男．1984年9月生，硕士研究生。甘肃省兰州市．730070。92化工机械2011钲2迷宫密封数值计算分析2．1模型结构的分析图l为迷

5、宫密封气腔结构示意图。其中，上半部分大齿为活塞壁上的齿，下半部分小齿为气缸壁上的齿。活塞壁与气缸壁的间隙尺寸H取决于缸内温度引起活塞壁与气缸壁的热胀。其气腔长度￡取决于活塞壁的长度，而活塞壁的长度取决于所压缩气体的最大压力以及迷宫密封的允许泄漏量。故文中取H=0．4mm，L=40ram。图1气腔结构示意图2．2计算条件及计算方法当流动达到平衡状态时，气流在迷宫密封通道内部的流动可以认为是二维稳态湍流流动。考虑到迷宫密封的密封间隙较小和气体的粘性、可压缩性等，在计算时采用二维雷诺平均方程作为控制方程，选用标准k．占湍流模型以

6、及标准壁面函数来模拟湍流流动问题。工作介质采用理想气体，左端压力进口，温度为300K，右端压力出口，设置背压为101325Pa；固壁绝热；粘性符合苏士兰公式；各项采用二阶迎风格式离散；选用分离隐式求解器，网格采用三角网格结构。运用Auto．CAD2004建立模型，并输出“sat”格式文件导入到Gambit进行网格划分，然后将式(1)通过UDF翻译并设置为活塞壁的边界条件函数，同时在fluent中激活UDF并进行迭代计算。图2a、c是活塞平均速度下的流场图，图2b、d是活塞变速度下的流场图。两种情况下的流场基本相似。同时采用

7、Fluent运算可知，在活塞平均速度情况下，当给活塞分别加上速度为l、2、3、4、5m／s时，其泄漏量分别为0．09713、0．09626、0．09616、0．09573、0．09565kg／s；在活塞变速度情况下，当给活塞分别加上速度为l、2、3、4、5m／a时，其泄漏量分别为0．09912、0．09906、0．09825、0．09753、0．09668kg／s。比较两者情况，活塞变速度下的泄漏量略大些，但其计算结果误差很小，控制在2％以内。图2不同活塞速度下的流场图图3为活塞变速度下泄漏量变化图。由图2、3可知，当给其

8、活塞分别加上l、2、3、4、5m／s的第38卷第1期化工机械93速度时，随着速度的增加，其泄漏的作用时间缩短。同时当速度较小时，气流以轴向流动为主，而周向流动较弱，因此漏量较大；当速度较大时，周向运动增强，此时迷宫中气流形成一条类似螺旋线运动的轨迹，速度越大，螺旋线越长，阻力增加，减少泄漏，提高了密封性