周向斜面台阶螺旋槽液膜密封流体动压性能

为降低密封面间液体流动发散区液膜压力损失及提高密封性能,在矩形截面螺旋槽中引入周向斜面台阶结构并建立物理模型。基于JFO空化边界,探讨了不同槽深时,斜面转角比对液膜压力、降低空穴发生及流体动压性能的影响。结果表明:当斜面转角比小于1/30时,下游泵送或上游泵送液膜密封的周向膜压或螺旋线方向膜压均得到迅速提升而空化面积比迅速降低,尤其是上游泵送密封;随斜面转角比增大,空化面积比先增大后减小,空穴区中液膜开始破裂位置前缘压力呈增加趋势,而液膜重生成位置后缘压力反之。槽深的增加有助于提升液膜压力和降低空化面积比,当槽深为8～12μm,在斜面转角比为0.1～0.3时,两类型液膜密封承载能力均可达到最大值,前者最大增幅约13.5%,后者约28%;摩擦扭矩最大增幅约4.6%,增幅较小;泄漏量随斜面转角比的变化规律与承载能力相似。

复合表面微凹坑对机械端面密封动压性能的影响

针对表面织构可以有效改善相对运动表面的摩擦学性能,建立了均匀分布的微凹坑机械端面密封的理论模型,采用有限差分法对流体动压润滑方程进行求解,获得了密封端面间气膜的无量纲压力分布,并考察了微凹坑形状和复合形式对密封端面的无量纲平均压力pav的影响.结果表明:微凹坑在相同的形状下,大小尺度不同的复合凹坑比单一凹坑具有更强的动压性能,而以矩形凹坑表现得最为明显,其动压性能效率提高率ξ3可达6.79%;微凹坑的复合可明显增强密封端面动压性能.

椭圆型表面织构对机械端面密封动压性能的影响

根据表面织构可以有效改善相对运动表面的摩擦学性能,建立均匀分布的椭圆型微凹坑机械端面密封的理论模型,采用有限差分法对流体动压润滑方程进行求解,获得密封端面间气膜的无量纲压力分布,研究椭圆倾斜角α和形状系数t对压力分布的影响,并考察整个密封端面的平均无量纲压力Pav。结果表明:当t≥1时,密封端面平均无量纲压力Pav随着倾斜角α的增大呈现减小趋势,反之t<1时呈增大趋势;不同倾斜角α下,Pav随着形状系数t的增大先增大后减小;通过选择合理的椭圆倾斜角和形状系数,相比于圆凹坑端面可提高约7%的平均无量纲压力。

乳化基质抗动压性能的实验研究

利用水下爆炸测试系统,对乳化基质和玻璃微球敏化的乳化炸药分别施加动态压力,并对受压前后的乳化基质和乳化炸药的电导率进行了测定,用电导率的变化来表征破乳程度。实验结果表明,乳化基质受压后电导率变化较小,而乳化炸药的电导率变化较大。因此,乳化基质的抗动压性能优于乳化炸药。

三角形表面织构对机械密封端面动压性能的影响

为了研究三角形织构对机械密封端面动压性能的影响,建立均匀分布的等腰三角形微孔的密封端面理论模型,利用有限差分法对流体动压润滑方程进行求解,获得了密封端面无量纲压力分布,并考察了三角形微孔的面积率、方向角度以及形状角度对无量纲平均压力Pav的影响。结果表明:密封端面无量纲平均压力随着面积率增大先增大后减小;三角形方向角度为90°时平均无量纲压力取得最大值且在该位置随着形状角度的增大而增大。

涡动对液膜密封空化及动压性能影响

为进一步探索涡动现象对液膜密封性能影响,基于满足质量守恒的Schnerr-Sauer空化模型,建立螺旋槽液膜密封涡动模型,探讨密封环涡动半径、涡动速度对液膜密封空化分布及密封动压性能的影响。结果表明:涡动半径对液膜承载能力和泄漏量影响较小,但显著影响液膜空化率和倾覆力矩,尤其是正向涡动时;涡动速度对液膜空化率和密封动压性能影响显著,正向涡动时具有促进作用,反向涡动反之;在相同工况时,正向涡动对密封动压性能的影响好于反向涡动的影响。

螺旋槽槽形结构参数对气液两相端面动压密封性能影响

针对一定液气比(0.15)、一定工况下气液两相动压密封,利用几何软件SolidWorks建模,在ICEM中划分结构化网格,将计算域导入Fluent计算,分析了槽形结构参数(槽深、气膜厚度、槽数)对密封性能的影响。结果表明:动压密封的气体泄漏量和液体泄漏量都随着槽深的增大先增大后减小,开启力、流体膜刚度都随着槽深的增大而增大;动压密封的气体泄漏量和液体泄漏量都随着气膜厚度的增大而增大,开启力随着气膜厚度的增大而增大,流体膜刚度随着气膜厚度的增大而减小;动压密封的气体泄漏量、液体泄漏量、开启力、流体膜刚度都随着槽数的增大而增大。

螺旋角对气液两相端面动压密封性能影响

针对一定液气比(0.15)、一定工况下气液两相动压密封,利用几何软件SolidWorks建模,在ICEM中划分结构化网格,将计算域导入Fluent计算,分析螺旋角对密封性能的影响。结果表明:动压密封的气体泄漏量随着螺旋角的增大先增大后减小,螺旋角22°时存在最大气体泄漏量;液体泄漏量随着螺旋角的增大先减小后增大,螺旋角20°时存在最小液体泄漏量。开启力、流体膜刚度都随着螺旋角的增大而减小。

微孔几何特征对密封端面动压润滑性能的影响

通过建立底面形状为矩形面、梯形面、抛物面和三角形面4种均匀分布的圆微孔密封端面理论模型,利用有限差分法求解流体动压润滑方程,获得了密封端面无量纲压力分布,并考察孔半径和深度对无量纲平均压力pav的影响。结果表明:不同底面形状微孔对密封端面动压性能的影响随微孔半径及深度均呈现先增大后减小的趋势,优化后的矩形面具有最佳的动压性能,其无量纲平均压力值达到1.39,相比于三角形面提高了8.59%,最优的微孔半径为0.17mm,与其它3种型面差别不大,但最优的微孔深度值最小。

表面凹痕织构动压承载性能的CFD分析

为研究表面凹痕织构的动压承载性能,在建立其几何模型的基础上,采用基于N-S方程的CFD方法研究不同参数下表面凹痕织构的平均承载力变化规律,并考察雷诺数、织构宽度和深度对动压承载性能的影响。结果表明:雷诺数的增加能够大幅提升表面凹痕织构的平均承载力;随着织构宽度的增加,表面凹痕织构的动压承载性能趋于优良;当量纲一织构深度处于0.5～1时,表面凹痕织构具有最佳的动压承载性能。

低液气比混合润滑下的动压密封性能分析

针对小液滴均匀分布在气相中的两相润滑状态下的密封工况,建立气液混合物理模型,推导气液两相混合流体的等效黏度,建立气液混合润滑动压密封端面间的气液混合润滑Reynolds方程。利用MATLAB软件编写有限元程序求解气液混合润滑Reynolds方程,得到动压密封端面间气液混合流体的压力分布及密封性能参数,并分析在操作工况一定时,液气比对密封性能的影响。分析结果表明:在相同的膜厚下,液滴增强了端面流体动压效应;动压密封在运转过程中,端面密封间隙、摩擦功耗和质量泄漏率随液气比的增加而增加,体积泄漏率随液气比的增加而减少,而刚度随液气比的增加先增加后降低,存在最大值。

不同类型织构的动压润滑性能评价方法及实验验证

基于雷诺方程建立牛顿流体润滑条件下单一织构表面动压润滑理论模型,求解不同类型织构表面动压润滑性能,计算织构表面偏态和峰值,从偏态和峰值角度分析织构类型对动压润滑性能的影响;开展压裂泵模拟工况下柱塞-密封橡胶摩擦副单元摩擦学实验,研究不同织构类型对柱塞密封副摩擦磨损性能的影响。实验结果验证基于偏态和峰值分析织构类型对动压润滑性能影响的合理性。仿真结果表明,相同条件下,对于不同类型表面织构,表面偏态越小、峰值越大,其动压润滑性能越好;研究的3种织构中,圆形织构表面动压润滑性能最优,其次分别为椭圆织构表面和条形织构表面。与仿真结果类似,实验研究表明,圆形织构润滑减磨性能最优,其次为椭圆织构、条形织构。

复合织构化压裂泵柱塞密封副动压润滑性能仿真研究

为改善压裂泵柱塞密封副的摩擦磨损性能,在压裂泵柱塞密封副表面建立不同的复合表面织构(不同复合织构类型、不同分布方式、不同截面形状等),并在结合柱塞密封副几何结构特征、压力边界条件及雷诺方程的基础上,建立织构化柱塞密封副动压润滑理论模型,采用有限差分对雷诺方程进行求解,仿真分析复合织构对柱塞密封副动压润滑性能的影响规律。数值仿真研究结果表明:复合织构对动压润滑性能的影响与外织构深度有密切关系;内织构为凹坑或凸起,以及内织构为不同截面形状的复合织构,主要是通过影响织构平均深度与摩擦副间隙的大小关系,而对复合织构的动压润滑性能造成不同的影响规律;内织构分布于外织构右侧(润滑介质入口一侧)对复合织构动压润滑性能的提升最大。

液气比对油气两相动压端面密封性能影响

针对一定液气比(0.1~0.3)下油气两相动压密封,利用几何软件建模并划分结构化网格,将计算域导入Fluent计算,分析液气比对密封性能的影响。结果表明:液气比越高,端面流体的动压效应越强,动压密封的气体泄漏量随着液气比的增大而降低,液体泄漏量随着液气比的增大而增大,开启力和流体膜刚度都随着液气比的增大而增大。

操作工况对油气两相动压端面密封性能影响

针对一定液气比下油气两相动压密封,利用几何软件建模并划分结构化网格,将计算域导入Fluent计算,分析工况参数对密封性能的影响。结果表明:密封泄漏量、开启力和流体膜刚度都随着转速的升高而增大;密封泄漏量、开启力和流体膜刚度都随着压差的增大而增大。

不同参数织构对动压润滑性能的影响规律

为研究织构表面动压润滑性能,基于Reynolds方程和织构深度方程建立单一织构不可压缩牛顿体润滑条件下动压润滑模型,分析不同织构参数对织构动压润滑性能的影响;并采用正交试验法研究织构类型、织构横截面形状、织构深度和织构分布角度对织构动压润滑性能影响的主次顺序。数值计算结果表明:圆形、椭圆形和条形3种织构中圆形织构性能最优,且织构类型的影响与织构长宽比有关;织构截面形状和织构分布角度的影响与织构深度有密切关系;4种织构参数对承载力影响的主次顺序为:织构深度>织构截面形状>织构类型>织构分布角度,对摩擦系数影响的主次顺序为:织构深度>织构截面形状>织构分布角度>织构类型,因而织构深度对动压润滑性能的影响最大,而织构深度在最小油膜厚度左右时织构动压润滑性能最好。

摩擦副接触方式变化对织构表面动压润滑性能的影响

表面织构已被证实在能够有效改善相对运动摩擦表面的摩擦学性能,但开展表面织构对摩擦学性能影响规律的深入研究是促进表面织构实际应用不可或缺的过程。基于雷诺方程建立单一织构化摩擦副润滑理论模型,通过对比表面承载力和油膜压力分布研究了摩擦副接触方式变化(线接触-面接触)对织构表面动压润滑性能的影响规律。仿真分析结果表明,相同条件下,磨痕宽度越宽、织构化表面动压润滑性能越好,而摩擦副曲率半径越小、织构化表面动压润滑性能越差;此外,织构分布的影响不受摩擦副曲率和磨痕宽度的影响,而织构面积比越大则动压润滑性能越差。

摩擦副曲率半径对织构动压润滑性能的影响

基于雷诺方程建立不同曲率半径织构化摩擦副动压润滑理论模型,采用有限差分和高斯赛德尔迭代法对模型进行求解,研究不同摩擦副曲率半径条件下表面织构对动压润滑性能的影响差异。数值仿真分析结果表明:织构化曲面摩擦副流体动压尽管由曲面摩擦副流体动压和织构微流体动压组合而成,而两部分之间的干涉将对摩擦副的动压润滑效果带来负面影响,且摩擦副曲率半径越小,干涉越明显;而摩擦副曲率半径对织构分布和最优织构深度的影响则需要对两参数综合分析。

织构内外正弦波粗糙度对动压润滑性能的影响

建立含不同位置及不同分布的正弦波粗糙度织构化动压润滑理论模型,数值仿真研究正弦波粗糙度在织构化摩擦副表面的分布位置及分布夹角对织构动压润滑性能的影响规律及差异。数值计算结果表明,正弦波粗糙度位于织构之外时,垂直速度分布优于平行速度分布,而粗糙度位于织构内部时则刚好相反;此外,粗糙度幅值和波长对动压润滑性能的影响与粗糙度的位置及分布方式有关,仅当粗糙度位于织构之外且垂直速度分布时,随粗糙度幅值和波长的增加,动压润滑性能有明显的提升。

油气两相动压密封端面结构多参数正交优化及试验研究

针对油滴均匀分布在气相中的油气两相动压密封,利用Fluent软件建立两相动压密封端面间流体模型,并采用多参数正交优化法,分析密封性能参数(工作膜厚、流体膜刚度、泄漏量及摩擦扭矩)随两相密封动压槽结构参数(螺旋角、槽深、槽宽比、槽坝比和槽数)的变化。分析结果表明:在恒定转速、压差和闭合力条件下,通过调整各结构参数均可获得最大工作膜厚;流体膜刚度随着螺旋角和槽深的增大而减小;气体泄漏率和液体泄漏率随密封槽结构参数变化规律相同,且变化规律与工作膜厚相同;得到了定工况下的最优动压槽结构参数。最后通过自主设计的气液两相动压密封实验装置进行静压试验和运转试验,验证了动压密封在油气两相介质工况下应用的可行性。