接觸式高壓氣流密封接觸點傳熱及流固耦合傳熱研究項目摘要

本項目以刷式密封與轉(zhuǎn)子交互作用下接觸點傳熱及流固耦合傳熱動力學(xué)規(guī)律為研究目標，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)流固耦合實驗方面積累的豐富經(jīng)驗和先進密封技術(shù)研究的基礎(chǔ)，建立了刷式密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)學(xué)實驗平臺完成流固熱耦合數(shù)學(xué)模型的驗證。本項目旨在提出接觸密封理論模型和接觸力選擇準則，通過實驗和數(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。

本項目采用數(shù)值模擬方法研究了緊湊管束內(nèi)流動特征，揭示了刷絲內(nèi)部的流動現(xiàn)象，并通過單絲接觸力數(shù)學(xué)模型的研究，建立了氣動力下單絲接觸力計算方法。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特征及抑制泄漏的原理，進而應(yīng)用到實際百萬超超臨界汽輪機組高壓平衡活塞處密封系統(tǒng)中，細致研究了刷式密封對泄漏流動的影響。最后，利用有限元方法對刷絲尖端的接觸受力進行研究，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換熱模型，得到密封周圍的流動換熱狀況。 本項目建立了流動試驗臺，模擬刷絲排列方式下管束內(nèi)流動特征。針對管束排列方式、管束直徑比例關(guān)系以及管束間隙變化，細致研究了管束內(nèi)流動特征：渦量分布、雷諾應(yīng)力分布、流向和法向脈動速度以及全場速度分布曲線，旨在指導(dǎo)刷絲與氣體交互作用下氣動力的加載方式。此外，改造了密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)試驗臺，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，泄漏量增加一個數(shù)量級。當間隙增加到0.3-0.4mm時，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，促使流體徑向流動到間隙處泄漏。在某汽輪機組改造的研究中發(fā)現(xiàn)，單級刷封的安裝位置對泄漏量的影響可以忽略，但刷封個數(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。流動實驗表明：通過時均渦量、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)子試驗表明：當刷式密封與篦齒密封混合使用時，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（國際會議）和1篇中文核心期刊論文，參加了2次ASME國際會議，宣講了4篇國際會議論文，參加了3次國內(nèi)會議并宣讀論文3篇，申請了3項專利、獲批1項著作權(quán)登記軟件，培養(yǎng)2名博士和3名碩士。目前提交了第2項著作權(quán)登記軟件、在審4篇SCI論文。

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)所有物理過程進行瞬態(tài)緊耦合算法，能使計算結(jié)果與實驗結(jié)果高度吻合。但是，該瞬態(tài)緊耦合計算需要消耗大量的計算資源，難以用于解決實際復(fù)雜工程問題。

根據(jù)問題的特征，有些研究者近似認為在計算時間內(nèi)，某些參數(shù)的狀態(tài)是不變的，進而直接將瞬態(tài)問題轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)問題。對于絕大多說不能通過準穩(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，提出各部分分別進行瞬態(tài)求解,并通過邊界條件、參數(shù)值及活動網(wǎng)格等方式進行實時信息交互的瞬態(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制對流傳熱問題，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行瞬態(tài)求解，并利用流體數(shù)值計算結(jié)果對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 等針對飛機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)值計算結(jié)果對其他求解方程的邊界溫度和熱流加以修正，同時利用固體應(yīng)變方程的計算結(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穩(wěn)態(tài)流場的松耦合算法，即近似認為在整個流固耦合傳熱過程中，流場處于若干個準穩(wěn)態(tài)，每一個準穩(wěn)態(tài)的流場都使用穩(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翼前緣的耦合傳熱問題。Chen 和Zhang等交替進行穩(wěn)態(tài)流場計算與固體燒蝕和瞬態(tài)導(dǎo)熱的松耦合算法計算了帶燒蝕的流固耦合傳熱問題。2100433B

流固耦合傳熱計算 的關(guān)鍵是實現(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)溫度場時，流體區(qū)域可按準穩(wěn)態(tài)流場處理，即不考慮流場的動量和湍方程，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)溫度場控制方程，可以使用分區(qū)瞬態(tài)緊耦合算法進行求解。即在每個[t，t Δt]時間步長內(nèi)，完成如下計算步驟：

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) 對其中流體區(qū)域進行穩(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) 兩步計算，直到收斂。

對于某些流體與固體之間的對流換熱問題 ，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。這時無論界面上的溫度還是熱流密度都應(yīng)看成是計算結(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簡單的內(nèi)邊界進行處理，不但減少了邊界條件，又符合實際狀態(tài) 從而提高了仿真的合理性和精度 。