接觸式高壓氣流密封接觸點(diǎn)傳熱及流固耦合傳熱研究

本項(xiàng)目采用數(shù)值模擬方法研究了緊湊管束內(nèi)流動(dòng)特征，揭示了刷絲內(nèi)部的流動(dòng)現(xiàn)象，并通過單絲接觸力數(shù)學(xué)模型的研究，建立了氣動(dòng)力下單絲接觸力計(jì)算方法。此外，采用多孔介質(zhì)模型研究了刷式密封在不同幾何條件下的泄漏流動(dòng)特征及抑制泄漏的原理，進(jìn)而應(yīng)用到實(shí)際百萬超超臨界汽輪機(jī)組高壓平衡活塞處密封系統(tǒng)中，細(xì)致研究了刷式密封對(duì)泄漏流動(dòng)的影響。最后，利用有限元方法對(duì)刷絲尖端的接觸受力進(jìn)行研究，結(jié)合多孔介質(zhì)模型嘗試建立刷式密封頂端摩擦熱源的流動(dòng)換熱模型，得到密封周圍的流動(dòng)換熱狀況。 本項(xiàng)目建立了流動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，模擬刷絲排列方式下管束內(nèi)流動(dòng)特征。針對(duì)管束排列方式、管束直徑比例關(guān)系以及管束間隙變化，細(xì)致研究了管束內(nèi)流動(dòng)特征：渦量分布、雷諾應(yīng)力分布、流向和法向脈動(dòng)速度以及全場(chǎng)速度分布曲線，旨在指導(dǎo)刷絲與氣體交互作用下氣動(dòng)力的加載方式。此外，改造了密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，通過研究刷式密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在高壓氣流作用下的系統(tǒng)穩(wěn)定性特征及刷式密封-轉(zhuǎn)子之間接觸力，來指導(dǎo)刷式密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)接觸力導(dǎo)致摩擦生熱結(jié)果。 結(jié)論顯示：隨雷諾數(shù)的增加，管束兩端壓差呈冪函數(shù)增長。多孔介質(zhì)模型分析泄漏流動(dòng)結(jié)果說明，從接觸式零間隙到大間隙結(jié)構(gòu)下泄漏量不斷增加。徑向間隙從0增長到0.1mm時(shí)，泄漏量增加一個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)間隙增加到0.3-0.4mm時(shí)，間隙處泄漏量占總泄漏量的75%-80%。此外，近下游擋板截面刷絲自由端附近的徑向壓力梯度最大，促使流體徑向流動(dòng)到間隙處泄漏。在某汽輪機(jī)組改造的研究中發(fā)現(xiàn)，單級(jí)刷封的安裝位置對(duì)泄漏量的影響可以忽略，但刷封個(gè)數(shù)的增加，抑制泄漏效果凸顯。三道刷式密封，可使泄漏量下降80%。摩擦生熱研究顯示，接觸力隨著干涉量的變化出現(xiàn)遲滯效應(yīng)。高溫區(qū)域在刷絲尖端，溫度沿徑向呈指數(shù)衰減。流動(dòng)實(shí)驗(yàn)表明：通過時(shí)均渦量、雷諾應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)隨夾角變化，尾跡脫落漩渦的尺度、上下剪切層應(yīng)力強(qiáng)度的變化過程。在管束上下沿處存在穩(wěn)定的小尺度結(jié)構(gòu)。密封轉(zhuǎn)子試驗(yàn)表明：當(dāng)刷式密封與篦齒密封混合使用時(shí)，發(fā)現(xiàn)刷式密封通過與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形成了轉(zhuǎn)子的支撐剛度，從而降低了轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。 研究成果：發(fā)表了4篇SCI、4篇EI（國際會(huì)議）和1篇中文核心期刊論文，參加了2次ASME國際會(huì)議，宣講了4篇國際會(huì)議論文，參加了3次國內(nèi)會(huì)議并宣讀論文3篇，申請(qǐng)了3項(xiàng)專利、獲批1項(xiàng)著作權(quán)登記軟件，培養(yǎng)2名博士和3名碩士。目前提交了第2項(xiàng)著作權(quán)登記軟件、在審4篇SCI論文。

本項(xiàng)目以刷式密封與轉(zhuǎn)子交互作用下接觸點(diǎn)傳熱及流固耦合傳熱動(dòng)力學(xué)規(guī)律為研究目標(biāo)，綜合多種因素的（刷絲之間、刷絲與后擋板摩擦以及刷絲彎曲效應(yīng)）影響，應(yīng)用數(shù)值模擬手段，建立非線性接觸力數(shù)學(xué)模型以及接觸力作用下流固耦合傳熱模型。利用課題組在密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)流固耦合實(shí)驗(yàn)方面積累的豐富經(jīng)驗(yàn)和先進(jìn)密封技術(shù)研究的基礎(chǔ)，建立了刷式密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成流固熱耦合數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證。本項(xiàng)目旨在提出接觸密封理論模型和接觸力選擇準(zhǔn)則，通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值手段研究刷式密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)流固耦合傳熱規(guī)律，建立及完善流固熱耦合數(shù)學(xué)模型，能數(shù)值分析不同刷式密封與轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，系統(tǒng)內(nèi)刷式密封與轉(zhuǎn)子接觸力及摩擦生熱等參數(shù)，為研究工質(zhì)泄漏、轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性以及部件疲勞壽命提供重要的手段。

流固耦合傳熱緊耦合

Stokos、Hooper、Kazemi-Kamyab等開發(fā)了將流體及固體內(nèi)所有物理過程進(jìn)行瞬態(tài)緊耦合算法，能使計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合。但是，該瞬態(tài)緊耦合計(jì)算需要消耗大量的計(jì)算資源，難以用于解決實(shí)際復(fù)雜工程問題。

根據(jù)問題的特征，有些研究者近似認(rèn)為在計(jì)算時(shí)間內(nèi)，某些參數(shù)的狀態(tài)是不變的，進(jìn)而直接將瞬態(tài)問題轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)問題。對(duì)于絕大多說不能通過準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)處理直接轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)問題的瞬態(tài)問題，有些研究者主張保留耦合的非穩(wěn)態(tài)特性，提出各部分分別進(jìn)行瞬態(tài)求解,并通過邊界條件、參數(shù)值及活動(dòng)網(wǎng)格等方式進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交互的瞬態(tài)松耦合傳熱問題的求解。如 Bauman 和Kazemi-Kamyab等針對(duì)高超聲速流中固體表面帶輻射及燒蝕相變過程的流固耦合強(qiáng)制對(duì)流傳熱問題，提出將流體 Navier-Stokes 方程與固體導(dǎo)熱、輻射及燒蝕相變過程分別進(jìn)行瞬態(tài)求解，并利用流體數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)其他求解方程的邊界溫度和熱流加以修正，直至迭代收斂。Lohner 等針對(duì)飛機(jī)氣彈分析中帶固體形變的流固耦合傳熱問題，將流體 Navier-Stokes 方程及固體導(dǎo)熱和應(yīng)變方程分別求解，并利用流體數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)其他求解方程的邊界溫度和熱流加以修正，同時(shí)利用固體應(yīng)變方程的計(jì)算結(jié)果修正流體耦合邊界位置和速度邊界條件，直至迭代收斂。

流固耦合傳熱松耦合

有些研究者提出了基于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)的松耦合算法，即近似認(rèn)為在整個(gè)流固耦合傳熱過程中，流場(chǎng)處于若干個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，每一個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的流場(chǎng)都使用穩(wěn)態(tài) Navier-Stokes 方程求解。如 Kontinos結(jié)合二維邊界單元法和高超聲速計(jì)算流體力學(xué)( CFD) 算法的松耦合算法，分析了高超聲速流與機(jī)翼前緣的耦合傳熱問題。Chen 和Zhang等交替進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)計(jì)算與固體燒蝕和瞬態(tài)導(dǎo)熱的松耦合算法計(jì)算了帶燒蝕的流固耦合傳熱問題。2100433B

流固耦合傳熱計(jì)算 的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)流體與固體邊界上的熱量傳遞。由能量守恒可知 ，在流固耦合的交界面 ，固體傳出的熱量應(yīng)等于流體吸收的熱量，因此 ，流固邊界面上的熱量傳遞過程可表示為

在求解流固耦合的瞬態(tài)溫度場(chǎng)時(shí)，流體區(qū)域可按準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)處理，即不考慮流場(chǎng)的動(dòng)量和湍方程，則其控制方程式

固體區(qū)域控制方程以其基本導(dǎo)熱方程表示為

流固交界面上不考慮發(fā)生的輻射、燒蝕相變等過程，則流固交界面上滿足能量連續(xù)性條件，即溫度和熱流密度相等。具體控制方程式為

上述構(gòu)成了流固耦合瞬態(tài)溫度場(chǎng)控制方程，可以使用分區(qū)瞬態(tài)緊耦合算法進(jìn)行求解。即在每個(gè)[t，t Δt]時(shí)間步長內(nèi)，完成如下計(jì)算步驟：

1) 假定耦合邊界上的溫度分布，作為流體區(qū)域的邊界條件。

2) 對(duì)其中流體區(qū)域進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解，得出耦合邊界上的局部熱流密度和溫度梯度，作為固體區(qū)域的邊界條件。

3) 求解固體區(qū)域，得出耦合邊界上新的溫度分布，作為流體區(qū)域的邊界條件。

4) 重復(fù) 2) 、3) 兩步計(jì)算，直到收斂。

對(duì)于某些流體與固體之間的對(duì)流換熱問題 ，熱邊界條件無法預(yù)先給定，而是受到流體與壁面之間相互作用的制約。這時(shí)無論界面上的溫度還是熱流密度都應(yīng)看成是計(jì)算結(jié)果的一 部分，而不是 已知條件。像這類熱邊界條

件是由熱量交換過程動(dòng)態(tài)地加 以決定而不能預(yù)先規(guī)定的問題 ，稱為流固耦合傳熱問題。

用流固耦合傳熱方法可以將流體與固體之間復(fù)雜的外邊界條件變成相對(duì)簡單的內(nèi)邊界進(jìn)行處理，不但減少了邊界條件，又符合實(shí)際狀態(tài) 從而提高了仿真的合理性和精度 。