基于ALE流固耦合方法的刷式密封泄漏特性理论与实验研究

现有刷式密封流固耦合求解模型因刷丝变形接触导致网格畸变而难以计算。本文提出了基于ALE (Arbitrary Lagrange-Euler)流固耦合方法考虑刷丝变形接触的三维瞬态双向流固耦合求解模型,设计搭建了刷式密封泄漏特性和可观测刷丝运动轨迹的实验装置。实验研究了刷式密封刷丝运动状态对泄漏特性的影响,不同压比条件下的泄漏特性变化规律,在验证刷式密封流固耦合求解模型准确性基础上,数值分析了不同时刻刷式密封速度分布与刷丝运动状态,并研究了不同结构参数对泄漏特性的影响规律。研究结果表明:基于ALE流固耦合方法解决了传统刷式密封求解模型因刷丝变形接触导致网格畸变而难以计算的问题,可准确计算刷式密封流场特性和力学特性;刷式密封刷丝吹下效应会降低泄漏量,刷丝颤振现象主要发生在气流入口处的前排刷丝域,会引起泄漏量增大,在气流力作用下,刷丝束轴向厚度变小,有利于减小泄漏量;在本文研究条件下,刷丝固定端与自由端的中间部位最先发生变形,随着时间的变化,气流速度逐渐趋于稳定,最大速度出现在末排刷丝与后挡板接触位置,刷丝自由端变形最大;刷式密封泄漏量随径向密封间隙的增大而增大,与径向密封间隙0mm时相比,径向密封间隙0.2mm时泄漏量增加了51.6%～62.8%。随着刷丝排数的增大,泄漏量逐渐减小,当刷丝排数大于25排时,其对泄漏量影响较小。随着刷丝间隙、刷丝与后挡板之间的轴向间隙、后挡板保护高度的增大,泄漏量先逐渐增大后趋于平缓。     

基于流固耦合的刷式密封泄漏特性理论与实验

理论与实验两方面研究了刷式密封泄漏流动特性及影响因素。建立了考虑刷丝变形的刷式密封泄漏流动特性流固耦合理论模型,实验研究了刷式密封泄漏量随进出口压比和转速等的变化规律,并与理论求解模型对比验证。在此基础上,运用理论模型分析了不同结构参数对密封泄漏量的影响规律,验证了构造的刷式密封泄漏量理论计算公式的准确性。研究结果表明:径向间隙一定时,刷式密封泄漏量随压比的增大而近似线性增加,转速对刷式密封的泄漏量影响不大;刷丝直径和刷丝间隙通过影响气体在刷丝束区域有效流通面积来影响泄漏量,有效流通面积越小,泄漏量越小;反之,则越大;随着刷丝直径、刷丝轴向排数的增大,刷式密封泄漏量逐渐降低;随着刷丝间隙的增大,泄漏量逐渐增大;随着后挡板保护高度、刷丝与后挡板轴向间隙的增大,泄漏量先显著增大后缓慢增加,最后趋于稳定;所构造的泄漏量理论公式可以准确预测刷式密封的泄漏量,为刷式密封结构优化设计提供理论依据。      

刷式密封临界承压能力流固耦合数值研究

采用以泄漏因子与有效间隙作为刷式密封临界承压能力的评价指标,基于ALE(arbitrary Lagrange-Euler)流固耦合方法建立刷式密封三维瞬态求解模型,分析三种不同结构的刷式密封模型在不同压差下的刷丝变形,研究临界承压能力对刷丝变形的影响。研究结果表明：随着上下游压差的增加,泄漏因子与有效间隙的值趋于稳定时的压差范围即为刷式密封的临界承压能力。所研究的基本型刷式密封临界承压能力为0.25～0.30 MPa,后挡板保护高度降低0.5 mm的刷式密封和轴向增加5排刷丝的刷式密封临界承压能力相对于基本型增加了16.7%～20.0%,降低后挡板保护高度和增加刷丝轴向排数可以提高刷式密封临界承压能力。随着上下游压差的增加,刷丝轴向最大变形量先增加,在上下游压差达到刷式密封临界承压能力时,刷丝之间间隙被压缩至接近最小,刷丝轴向最大变形量达到稳定。该研究成果为刷式密封的结构设计提供理论依据。     

基于能量法的刷式密封刷丝颤振流固耦合研究

为了研究刷式密封刷丝颤振特性,采用能量法及双向流固耦合与动网格技术,建立了刷式密封刷丝颤振特性瞬态流固耦合求解模型,将数值模型结果与理论模型和实验结果分别进行验证;在此基础上,从非定常气动力做功角度分析刷丝的变形规律,研究了刷式密封结构参数对刷丝颤振特性的影响。结果表明:非定常气动力做功与刷丝变形运动随时间均呈振荡变化趋势;后挡板保护高度从2.1~3.6mm,刷丝长度从4.0~5.5mm以及刷丝直径从0.13~0.19mm非定常气动力做功减少,有利于抑制颤振的发生;刷丝间隙及刷丝束与后挡板轴向间隙的变化对刷丝颤振影响不大。     

刷式密封刷丝变形与振动特性实验

刷式密封刷丝运动变形引起的泄漏损失、刷丝断裂等问题较为突出。本文分析刷式密封刷丝运动变形理论模型，设计搭建刷式密封刷丝变形与振动特性观测实验装置，设计加工了3种周向倾角的低滞后型刷式密封实验件，实验观测并研究刷式密封刷丝轴向变形特性，刷丝吹下效应、刷丝分层和刷丝振动特性，揭示刷式密封刷丝运动状态。研究结果表明，在进出口压比1.5~4工况下，刷式密封刷丝自由端轴向变形量随着压比的增大而近似线性增加，周向倾角对刷丝轴向变形影响不大。刷式密封前排刷丝吹下效应明显强于后排刷丝，随着周向倾角的增大，刷式密封刷丝吹下效应逐渐减弱，在本文研究工况下，周向倾角为50°、55°和60°的刷式密封刷丝最大吹下量分别为0.60、0.45和0.34 mm。刷式密封刷丝产生分层现象的主要原因是在气流力的作用下，刷丝束轴向产生变形，刷丝束自由端在不相等的转子表面轴向摩擦力作用下，刷丝束进一步产生不同步的变形量，导致刷丝束出现间隙进而形成刷丝分层现象。刷丝振动主要发生在刷丝密度相对松散的区域，且随着压比的增大而增强，刷丝自由端位移随时间呈振荡变化，其在轴向的振幅大于周向的振幅。     

后挡板结构对刷式密封泄漏特性影响实验研究

为了研究后挡板结构对刷式密封泄漏特性的影响,模拟航空发动机静态和动态工况,对三种不同后挡板结构的刷式密封泄漏特性进行实验研究。实验结果表明：相比于标准型刷式密封,后挡板结构中设计环形平衡腔能有效缓解刷式密封刷丝滞后效应,但间隙值过大将导致刷式密封性能下降;刷式密封实验件b（有环形平衡腔,与刷丝束之间的间隙为0.2mm）的泄漏参数Φ2保持在7 g﹒K1/2﹒mm/（N﹒s）以内,表现出优异的密封性能,这说明合适的环形平衡腔间隙值设计,能有效缓解刷式密封刷丝滞后现象。根据实验结果,环形平衡腔的间隙设计值应不大于0.4mm。     

刷式密封吹下效应诱发机理流固耦合数值研究

分析了刷式密封吹下效应理论模型,建立基于arbitrary Lagrange-Euler(ALE)流固耦合方法的刷式密封吹下效应三维瞬态数值模型,在验证数值模型准确性的基础上,分别研究了刷丝轴向、径向和截面变形特性,量化分析了刷丝径向吹下量,揭示了刷式密封吹下效应诱发机理。研究表明:刷式密封吹下效应会减小刷丝径向间隙,考虑吹下效应可以更加准确地计算泄漏量。刷式密封吹下效应是伴随刷丝扰动的非定常变形形式,刷丝自由端相比于后挡板径向中部和末端的刷丝截面,其吹下效应和刷丝扰动均较强。随着进出口压比的增加,刷式密封刷丝在具有更大径向吹下量的同时也伴随着更强的刷丝扰动,在研究工况下,2、3和4进出口压比下的刷丝束中部刷丝最大径向吹下量分别为0.004、0.010 mm和0.019 mm。刷丝具有一定的周向倾角和刷丝束区域的径向压力梯度是诱发刷式密封吹下效应的初始条件,且刷丝间的法向正压力和切向摩擦力会进一步影响吹下效应。增大刷丝周向倾角可以减弱刷式密封吹下效应。      

刷式密封流动传热特性数值方法

开展了刷式密封流动传热特性数值方法研究,分别建立了刷式密封多孔介质、稳态实体与瞬态流固热耦合求解模型,设计搭建了刷式密封泄漏流动特性实验装置,在实验验证数值方法准确性基础上,对比分析了3种数值方法的差异性,研究了刷式密封流动传热特性,揭示了刷式密封的封严与传热机理。研究结果表明:在研究工况下,刷式密封多孔介质、稳态实体、瞬态流固热耦合模型泄漏量计算值与实验值的对比误差分别为9.8%~17.1%、8.1%~10%、6.92%~9.01%。刷式密封多孔介质模型计算速度较快,但需通过实验修正孔隙率,湍流模型对稳态实体模型流动传热特性结果影响较大,瞬态流固热耦合模型考虑了流场、刷丝及摩擦热三者间相互耦合作用,计算精度较高,但所需计算时间较长;同一压比下刷丝束温度从上游至下游逐渐增加,刷丝束最高温度随压比的增加而增大。气流流经刷丝间隙形成的节流效应致使泄漏气流能量耗散是刷式密封封严的主要原因,泄漏气流与刷丝表面间的对流换热是刷式密封摩擦热耗散的主要形式。      

刷丝磨损对刷式密封泄漏流动特性影响数值与实验研究

采用有限元分析与计算流体力学相结合的方法,建立了考虑刷丝磨损的刷式密封泄漏流动特性求解模型,设计搭建了基于柱面圆周摩擦形式的刷式密封摩擦磨损特性实验装置,实验研究了刷丝与转子间正压力特性,在实验验证数值计算准确性的基础上,研究了刷丝磨损对刷式密封泄漏流动特性的影响规律。研究结果表明:从刷丝束上游到下游,刷丝与转子间正压力和刷丝磨损长度均先减小后增大;刷丝磨损长度随干涉量、刷丝直径的增加而增大,随压比、刷丝长度的增加而减小。考虑刷丝磨损的刷式密封泄漏量随压比、干涉量、刷丝直径的增加而增大,随着刷丝长度的增加而减小。提出泄漏量变化率表征刷丝磨损对刷式密封泄漏特性的影响程度,泄漏量变化率随刷丝直径的增加而增大,随着刷丝长度和压比的增加而减小;在压比为2.5的工况下,当刷丝直径从0.09 mm增至0.11 mm时,泄漏量变化率从9.53%增至19.18%;当刷丝长度从15.556 mm增至17.556 mm时,泄漏量变化率从13.47%降至5.38%。增加刷丝长度并减小刷丝直径可以降低刷丝磨损对刷式密封封严性能的影响。      

各级差异化多级刷式密封级间压降均衡性数值与实验研究

分析多级刷式密封级间压降分配特性理论,提出新型各级差异化多级刷式密封结构,基于流固耦合方法建立新型多级刷式密封三维实体计算模型,设计搭建新型多级刷式密封泄漏流动特性实验装置,数值与实验研究在不同工况条件下,结构参数对新型结构多级刷式密封级间压降均衡性和泄漏特性的影响规律。研究结果表明：传统结构多级刷式密封各级级间压降占比均衡性标准差为8.41,新型结构各级级间压降占比均衡性标准差最大为4.69,最小为2.07。相较传统各级相同结构,增大下游级有效流通面积的新型各级差异化多级刷式密封可有效改善级间压降的不均衡性。提高后挡板保护高度使得新型结构各级级间压降占比均衡性标准差最小,各级级间压降占比较接近,可明显改善新型结构多级刷式密封级间压降均衡性。减少刷丝束厚度和增大刷丝束与转子面间隙使新型结构多级刷式密封的泄漏量增大明显。     

几何参数对刷式密封泄漏和刷丝尖端力的影响

建立了一种刷式密封的切片式三维模型,利用计算流体动力学(CFD)方法,计算了刷丝所受的气流力并将其简化为较少量的一系列的集中力.基于力矩平衡和线性叠加原理,提出了气流力引起的刷丝尖端力、转矩的一种定量计算方法.1台刷式密封实验台和1只实验刷环被用于相关理论计算 的实验验证.基于上述理论计算,利用正交实验研究了刷丝长度、刷丝间隙、刷丝排数、安装角、刷丝直径和保护间隙对泄漏率、气流力、刷丝尖端力和转矩的影响.结果表明,总泄漏率及转矩的计算与实验结果基本吻合,各点误差均小于20%.刷丝直径、刷丝间隙、保护间隙及刷丝排数的对总泄漏率影响非常显著,安装角对转矩的影响非常显著.      

指式密封泄漏特性的实验研究

设计了三组不同间隙的实验件,研究了基本结构指式密封从初始使用到稳定后的泄漏特性.结果表明:指式密封在初始使用时泄漏量较大,而且迟滞较为明显;随着使用时间的增长,密封性能趋于稳定,稳定后"指"之间的间隙对泄漏系数影响比较大;随着压差的增大,泄漏系数先是增加,后趋于定值;在实验转速范围内(<3 000 r/min),转子转速对指式密封泄漏系数影响不大;密封泄漏系数随密封层数的增加而减少.      

转子叶顶间隙泄漏流轨迹前移的动力学机制

为了揭示压气机转子节流时其叶顶间隙流动的演变趋势及其形成机理,选取某亚声速轴流压气机转子为研究对象,采用多通道非定常数值计算方法对其内部流场进行了全三维数值模拟.结果表明:随着压气机转子流量减少,主流轴向动量减小,而在叶顶间隙两侧压力梯度和二次泄漏流的共同作用下,叶顶间隙泄漏流的轴向动量却不断增大,导致叶顶间隙区域内泄漏流与主流的轴向动量比不断增大,从而推动叶顶间隙泄漏流与主流的交界面不断向上游移动,这意味着叶顶间隙泄漏流在叶顶通道内造成的流动阻塞区不断扩大,正是叶顶间隙泄漏流相对于主流的增强造成的叶顶流动阻塞区不断扩大最终导致了该压气机转子进入失速状态.     

液环泵叶轮叶片轴向叶顶间隙微射流流动机理及性能分析

液环泵的轴向间隙泄漏流对其水力性能有重要的影响,为了抑制其叶片轴向叶顶间隙泄漏流动,提升水力性能,以2BEA-203型液环泵为研究对象,在叶片轴端间隙引入微射流,采用数值模拟方法对比分析微射流对间隙泄漏流场及液环泵性能的影响机理。分析结果表明:轴向间隙射流能够有效地抑制间隙泄漏,液环泵的效率及真空度均在一定范围内提升。叶片轴向间隙内射流孔出口处会形成一相对高压区,微射流排挤占用一部分间隙的流道,部分射流与压力面泄漏流相互作用形成间隙涡,阻滞泄漏流动,使得叶片间隙泄漏流强度降低,叶片背面后方的泄漏涡前移。液环泵叶轮轴向间隙泄漏流存在复杂的时空分布特征,湍动能分布由吸气区沿叶旋方向逐渐增强,受微射流抑制作用,射流型叶轮间隙吸力面侧的湍动能强度要明显弱于原型叶轮间隙;泄漏流强度沿弦线方向逐渐减弱,微射流的部分流体沿弦线方向流入叶片轴向间隙,排挤占用下游间隙的流道,提升了叶顶间隙的密封性能。      

压气机转子叶尖区域流动特征的观测与分析

为了揭示压气机转子内部真实流动的演化过程并分析其背后的流动机制,采用示迹线显示空气流动的方法对某低速轴流压气机转子流场进行了直接观测,同时结合多通道非定常数值模拟技术分析了转子叶尖区域流动特征及其形成机制.结果表明:叶片上的示迹线直观形象地显示了转子内部复杂流动随压气机工作状态变化的演化过程.即随着压气机转子节流,叶顶间隙泄漏流的轨迹不断向上游移动,到达近失速工况时,泄漏流与来流的交界面与转子叶顶前缘平齐,与此同时转子叶尖吸力面附近出现了大面积的回流,且回流的气体均向叶顶前缘聚集.通过进一步研究发现叶顶间隙区域内泄漏流与主流的轴向动量之比随转子流量系数减小而不断增大是导致泄漏流轨迹前移及叶顶回流区扩大的物理机制.     

俯仰振荡引起的二元高超声速进气道不起动/再起动特性

针对高超声速飞行器受到扰动后俯仰姿态可能会瞬时大幅度改变或振荡的问题,为了分析其对进气道起动/不起动特性的影响,在Ma=4.03条件下对二元高超声速进气道俯仰振荡的流场进行了非定常数值模拟研究。研究结果表明:大幅度俯仰振荡的二元高超声速进气道会出现不起动和再起动现象,进入不起动/再起动状态时的流场特征和性能参数均发生剧烈变化;不同折合频率俯仰动态变化时,进气道的性能参数及流场特征存在明显差异,气动性能存在迟滞现象;折合频率越大,进气道发生不起动时的攻角值越大,再起动时的攻角值越小;折合频率增加到一定程度时,进气道可能出现全程起动或不起动现象,初始攻角将是决定进气道处于全程起动或不起动状态的关键因素。     

刷式密封泄漏和传热特性影响因素的数值研究

刷式密封作为接触式密封,刷丝与转子之间的摩擦热直接影响到密封封严性能和使用寿命,为向高性能刷式密封的设计提供参考,采用数值求解基于Non-Darcian多孔介质模型的ReynoldsAveraged Navier-Stokes(RANS)和局部非热平衡能量方程并结合有限元方法,建立了考虑刷丝束与转子摩擦热效应的刷式密封泄漏和传热特性分析的数学模型。研究了运行工况转速与压比和后夹板围栏高度对刷式密封泄漏和传热特性的影响规律。结果表明:不考虑刷丝束与转子的摩擦热效应时,刷式密封的泄漏量随转速升高略微降低;考虑摩擦热时,泄漏量因转速升高而显著降低,转速为8kr/min时泄漏量降低到0转速时的69%。刷丝最高温度随转速、压比和围栏高度增大而升高,刷丝束内部温度沿径向降低速率随压比和围栏高度增大而加快。高转速工况下转子产生离心伸长使其与刷丝之间的干涉量增大而影响摩擦热效应。