硬密封结构界面泄漏特性的数值分析及理论预测方法

摘要

密封技术在现代工业中应用广泛，其中石油、化工、电子、核能、航空航天等领域都对密封有着严格的要求。目前在工程应用领域，对密封技术的研究大部分还是集中在密封结构的优化与创新，以此来提高设备的密封性能及可靠性。但对于静密封而言，无论密封结构多么复杂，都存在一个关键密封面，任何泄漏的发生都需要通过这个关键密封面。然而，由于表面粗糙度的存在，两密封面结合时不可能完全契合，总会存在泄漏的通道，即泄漏是不可避免的。所以，提高硬密封结构的密封性能不应仅仅围绕整体结构进行优化研究，而要针对界面泄漏的微观通道和流动特性进行分析研究。
　　本文首先基于随机过程理论，采用二维数字滤波技术，生成了满足Gauss分布和指数自相关函数的数值粗糙表面。该数值粗糙表面的形貌特征则可以通过粗糙度、自相关长度两个参数来进行调整，以生成具有特定形貌特征的粗糙表面。
　　为了研究表面形貌特征对泄漏率的影响，在数值粗糙表面的基础上直接使用三维图形软件构建了粗糙界面泄漏的泄漏通道几何模型。然后，采用 CFD软件对粗糙泄漏通道几何模型的流场进行数值计算，得到相应粗糙度和间隙高度所对应的泄漏率大小。为了研究粗糙界面泄漏与平直通道泄漏的区别，本文引入了流量因子，并对其进行负指数函数形式的无量纲拟合。
　　针对密封间隙高度的计算，本文采用了 Roth模型。模型指出密封间隙高度由表面形貌特征、密封载荷、密封材料力学特性等共同决定。为了获得模型中的密封系数，本文采用 FEA软件对粗糙表面微观接触行为进行模拟仿真分析。并且，发现密封系数与粗糙峰的高度无关，但受粗糙峰的峰角大小影响。
　　本文在最后结合前面各章节的研究内容，给出了界面泄漏的理论预测模型。通过与试验数据的对比分析，论证了该模型的有效性。还利用该模型，分析了各参数对泄漏率的影响，并给出了工程中提高结构密封性能若干建议。

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1 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 界面泄漏的研究现状

1.3 本文主要研究内容

2 基于Gauss随机分布理论的数值粗糙表面模拟

2.1 粗糙表面形貌特征

2.2 三维粗糙表面的数学表征

2.3 参数（σ、T）对表面形貌特征的影响

2.4 粗糙表面加工纹理的表征

2.5 本章小结

3 粗糙界面泄漏的流动模拟与泄漏率计算方法研究

3.1 密封元件渗漏模型简介

3.2 基于Fluent的泄漏数值模拟

3.3 模拟结果分析与流量因子的拟合

3.4 粗糙界面泄漏的计算方法

3.5 本章小结

4 基于有限元分析法的金属粗糙峰接触模拟

4.1 基于ABAQUS的有限元求解技术介绍

4.2 粗糙表面密封间隙的计算方法

4.3 密封系数的有限元求解

4.4 本章小结

5 硬密封结构的泄漏率理论预测模型

5.1 基于数值分析的泄漏率预测方法

5.2 预测模型的实验验证

5.3 泄漏率影响因素的分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 不足与展望

致谢

参考文献

附录作者攻读硕士学位期间发表的论文