磁流体旋转轴动密封的动力学研究

摘要

国内外关于纳米磁流体密封的理论研究比较多，并且取得了很大的进展，但就其工业应用而言，仅局限于很小范围。在高压、高转速、高温以及密封液体方面的应用还没有达到使用阶段。在磁流体制备方面，许多学者研究了水基、煤油基磁流体的制备工艺，并且形成了比较完善的工艺体系。以二酯为基液的磁流体对液体介质的密封效果较好，但是制备二酯基纳米磁流体的研究报道较少。本文用醇一水共热共沉淀法制备了二酯基Fe<,3>O<,4>纳米磁性流体，用正交实验研究了其制备工艺和影响因素，并对其物理性能进行了测量，得到其饱和磁化强度为44.248×10<'3>A/m，常温下的粘度为84.1mPa/s。 磁流体用于密封的研究主要集中在密封能力和密封结构尺寸等静力学方面，对于密封的动力学研究不够，很少有人研究磁流体运动特征、速度分布、结构尺寸对流动状态、温度、总摩擦功耗的影响，粘性耗散引起的温升和粘度的变化对磁流体和磁流体密封性能的影响。对于磁流体密封研究的局限性导致了其工业应用仅仅局限于比较小的范围内。本文以正交实验最佳工艺条件制备的磁流体物性参数为基础，用数值计算的方法对密封间隙内磁流体流动状态、温度场的分布、粘性耗散对磁流体物性和密封性能的影响进行仿真。并研究了转速、轴径、间隙的不同对磁流体密封的粘滞阻力矩和摩擦功耗的影响。 研究结果表明：粘性耗散是引起磁流体温度升高、粘度降低的主要因素，对磁流体的影响不可忽略，而温度的变化，直接影响到密封性能和寿命。当不考虑磁场作用以及粘度变化，即假定磁流体粘度为常数时，粘滞阻力矩和摩擦功耗都是随着转速的增大而增大的，并且阻力矩与转速成线性关系，摩擦功耗与转速成二次方关系。当考虑磁场、温度对粘度的影响时，粘滞阻力矩随着转速的增大而减小，摩擦功耗随着转速的增大呈现增大的趋势。与不加磁场相比，磁场作用明显增大了相同转速下磁流体的粘滞损耗，以及磁流体的粘度和温度。一般地，当转轴线速度达到7m/s时，温度偏高，需要采取冷却措施。此外，转轴轴径、密封间隙的不同对磁流体密封粘滞阻力矩、摩擦功耗、温度均会造成影响，在工业应用中应该加以考虑。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

声明

第一章绪论

1.1国内外研究进展

1.2磁性流体旋转轴动密封研究的目的、意义

1.3磁性流体旋转轴动密封的研究内容和研究方法

1.3.1磁流体的制备工艺及性能

1.3.2流动状态的求解

1.3.3传热数值模拟

1.4课题的来源背景

第二章二酯基磁性液体的制备工艺研究

2.1实验部分

2.1.1实验器材及试剂

2.1.2二酯基纳米磁流体的制备

2.2工艺条件对磁流体性能的影响

2.2.1载液的选择

2.2.2表面活性剂的选择

2.3正交实验设计

2.4小结

第三章磁流体性能及主要技术指标

3.1粘度特性

3.2磁化性能

3.3粒子尺寸

3.4密度

3.5温度特性

第四章磁流体密封动力学基本方程及模型的建立

4.1流体动力学控制方程

4.1.1质量守恒方程

4.1.2动量守恒方程

4.1.3能量方程

4.2 FLUENT软件简介

4.2.1 FLUENT软件概述

4.2.2 FLUENT软件采用的数值算法

4.2.3 FLUENT软件适用对象

4.2.4 FLUENT软件求解步骤

4.3 GAMBIT软件

4.4物理模型的建立与求解

4.4.1建立计算模型并生成网格

4.4.2边界条件

4.4.3数值求解

第五章磁流体轴动密封动力学计算

5.1传热模型的确定

5.1.1对流传热系数的确定

5.1.2粘性耗散的影响

5.2常粘度时的特性

5.2.1温度特性

5.2.2流动状态分析

5.2.3阻力矩

5.2.4摩擦功耗

5.3加入粘温曲线以后磁流体的特性

5.3.1粘温特性

5.3.2流动状态分析

5.3.3阻力矩和摩擦功耗

5.4外加磁场作用

5.4.1磁化特性

5.4.2粘温特性

5.4.3流动状态分析

5.4.4摩擦功耗及阻力矩

5.4.5磁力源项的影响

5.5装置结构尺寸对磁流体特性、阻力矩和摩擦功耗的影响

5.5.1轴径的影响

5.5.2间隙大小的影响

5.5.3结构尺寸对磁流体密封流动状态的影响

5.6磁流体特性对旋转密封性能的影响

5.7小结

第六章结论

致谢

参考文献

附录