化工机械密封腔内流场的数值计算

孙士铸，刘德志

（东营职业学院，山东 东营 257091）

化工机械密封腔内流场的数值计算

孙士铸，刘德志

（东营职业学院，山东 东营 257091）

应用软件FLUENT对化工机械密封腔内流场进行了三维数值计算，通过求解三维层流N-S方程，得到了由注入冷却液和密封环旋转引起的复杂三维流场特性，应用压力修正方法和SIMPLE算法进行计算，得出流场特性对密封环冷却效果的影响规律。

机械密封；数值计算；流场；FLUENT

机械密封作为重要的基础件之一，被广泛应用于化工生产的各种旋转设备中，其品质和性能，直接影响并决定着设备的工作性能[1]。在机械密封正常运转时，由端面摩擦、密封附件搅拌等产生的热量，会使密封环特别是密封端面温度升高，产生较大温度梯度，从而带来很多问题。

密封工作者十分重视对密封环冷却方面的研究。但大多数研究将密封环独立出来进行分析计算[2～4]。而密封环周围流体流动与传热密不可分，机械密封腔内流体的流动特性，直接影响着密封环的温度场。因此，对密封腔内流场的研究非常重要。

由于密封腔内流场复杂，通过实验测得流动特性比较困难，而Reynolds方程经过诸多简化的解法有其局限性，采用手动编程的方法，通用性较差、费时费力。近年来，计算流体动力学（CFD）的发展，给密封研究带来了动力。作者在前人研究的基础上，应用流场分析软件FLUENT，建立密封腔内流场的三维N-S模型并作了定量计算，得出冷却油流量对密封环冷却效果的影响规律，同时可观察各个方向、各个截面的流体流动情况，使计算结果更直观。

1 数学模型

应用旋转坐标系下层流稳态模型对密封腔内流体进行模拟。在旋转坐标系下，连续性方程为[5]

式中，

ρ 为流体密度，kg/m3；

p为流体静压，MPa；

此处忽略温度变化，只考虑连续性方程和运动方程；若有温度变化，则要考虑能量方程。

2 边界条件及计算过程

本文所研究密封结构如图1所示，计算区域为图中密封腔内的密封介质部分。在GAMBIT软件中建立密封腔内流场的三维几何模型，并进行网格划分生成网格文件。由于模型较大且不规则，无法直接生成六面体结构化网格。本文采用分块划分网格的方法，最终生成混合结构化网格，生成单元总数为182511个。

图1 密封腔体部分设计图

边界条件设置如下：冷却油入口处为速度入口边界，出口处为自由出流，轴套、动环座及动环表面设为旋转边界，转速为2950 r/min，其余均设为壁面边界。冷却油为普通机械用油，温度为373 K，密度为883.6 kg/m3，动力粘度为0.486 kg/（m·s）。

由于密封腔内流场受到径向冷却油注入和高速旋转轴、动环搅拌的影响，流动状态很可能变为湍流状态。因此需要判断流体的流动状态。本文采用Ta准数判断方法，计算公式如下：

其中，

η=rir是半径之比；

d=ro-ri是腔内间隙宽度；

Ω是内圆柱角速度；

υ是流体的运动粘度；

临界泰勒准数为Tac=2279。

研究表明：只有当泰勒准数大于1000 Tac时，湍流才会产生。

本文中η，d，Ω，υ分别为0.72，17.5 mm，308.77-1s，5.5×10-4m2/s，泰勒准数为 Ta=63636.388。

因此，在本文计算工况下，流动为层流。

本文以三维雷诺平均N-S方程为控制方程，对控制方程选择分离解法。压力采用标准格式进行离散，压力速度耦合采用SIMPLE算法，动量方程采用二阶迎风离散格式。速度分量和动量的收敛标准均设置为10-3。图2为各变量收敛过程的残差图。从图中可以看出，模型流体x、y、z三个方向上的速度值、连续性方程均满足要求，达到计算精度而收敛。

图2 迭代计算收敛曲线

3 结果与讨论

本文在保持轴转速不变的情况下，改变冷却油入口流量，观察流场的变化。图3～图5所示，为计算得到的密封腔内动环外表面处X=20横截面流速矢量图。

从图中可以看出，冷却流体在动环外表面形成一个流线层，流层厚度随着流量的增大而增大，且向腔内部凸出。这说明随着冷却油流量增大，流体更容易抵抗旋转件的吸附力，在密封腔内形成更好的冷却循环。同时，在这些流线层区域内，流体流速远大于冷却油入口流速，流体更容易带走动环表面的热量，提高冷却效果。

图3 流量0.06m3/h动环外表面截面速度矢量图

图4 流量0.10m3/h动环外表面截面速度矢量图

图5 流量0.24m3/h动环外表面截面速度矢量图

图6为动环表面流层厚度随冷却油入口流量的变化曲线图。随着冷却油入口流量的增大，动环表面流层厚度明显增大，而当流量增大到一定数值时，流层厚度增量很小。这说明，流量增大可以明显改善动环表面的冷却效果，但是超过一定数值，冷却效果却改善不大，反而有可能因为压力升高而影响冷却。因此，无限制增大流量，是不可取的，应适度控制。

图6 动环表面流层厚度随冷却油流量的变化曲线

图7～图8为动环表面轴向速度和切向速度随冷却油入口流量的变化曲线图。随着冷却油入口流量的增大，动环表面轴向速度增大，切向速度减小。这说明，冷却流体轴向流动增强，更容易把动环表面的热量带走，提高冷却效果。

图7 动环表面流体轴向速度随冷却油流量的变化曲线

图8 动环表面流体切向速度随冷却油流量的变化曲线

图9为流体区域z=0纵截面涡量图。涡量是流体产生回流的量度。从图中可以看出，介质入口和出口两个地方产生了回流，尤其出口处最大。入口处流量大，而入口截面积小，容易导致轻微回流；出口处流体经腔内旋转作用后，速度很大，而出口截面较小，因此导致较大回流。

图9 流体区域Z=0纵截面涡量图

4 结束语

本文计算结果表明，用FLUENT软件分析密封腔内三维复杂流场是可行的。

计算结果表明，随着冷却油入口流量的增大，动环表面流层增厚且轴向速度增大，因而表面冷却效果提高。但是当流量超过一定数值时，冷却效果无明显改善。

密封腔内流体流动非常复杂，Reynolds方程经过诸多简化的解法有其局限性，采用手动编程的方法，通用性较差，费时费力，而FLUENT软件能够真实地模拟复杂的三维流场，可以观察到流场内部的速度分布及变化情况，实现可视化计算，弥补常规试验之不足。

本文只是对密封腔内流场进行计算，应继续分析温度场，考虑更多的影响因素，使数值模拟更完善。

[1]顾永泉.机械密封实用技术[M].北京：机械工业出版社，2001.

[2]宋亚东，孙晓光.机械密封环温度场的研究[J].国外油田工程，1994，10(6)：49-53.

[3]Parviz Merati，Noriaki Pkita，Phillips R L and Jacobs L.Experimental and Computational Investigation of Flow and Thermal Behavior of a Mechanical Seal[J].Tribology Transactions，1999，42(4)：731-738.

[4]Ray Clark，Henri Azibert.Computer Simulation of Mechanical Seal Leads to Design Change that Improves Coolant Circulation[J].Journal Articles by Fluent Users，2002，23（1）:113-117.

[5]GK Batchelor.An Introduction to Fluid Dynamics[M].Cambridge：Cambridge Univ.Press,1967.

Computational Studies of Fluid Field in a Chemical Mechanical Seal

SUN Shi-zhu，LIU De-zhi
（Dongying Vocational College,Dongying Shandong 257091，China）

The three-dimensional computational studies using the commercial software package FLUENT for the fluid field in a chemical mechanical seal are presented.The three-dimensional laminar Navier-Stokes equations are solved for getting the complex 3-D flow characteristic as induced by the influx of the cooling fluid and the rotation of the seal ring.The pressure corre ctionmethod was used in conjunction with the SIMPLE algorithm.The implication of the flow characteristic on the cooling of the rings is distinct.

mechanicalseal;numerical computation;fluid field;FLUENT

TH136

A

1672-545X（2011）09-0064-03

2011-06-14

孙士铸（1964—），男，山东龙口人，副教授，研究方向：化工实验实训教学。