纳米磁性流体密封的仿真研究

摘要

纳米磁性流体旋转轴密封具有无泄漏、密封装置简单、功耗小、易维护的特点，在流体机械工业中有广泛应用前景。 纳米磁性流体密封的应用中最关键的问题是密封能力的确定，其影响因素很多，如纳米磁性流体本身的性质、磁极结构、负载运行过程等。其中磁极结构的设计对密封能力有着决定性的影响，必须对其影响规律进行研究。该论文从实际应用出发，用数值计算的方法对密封装置的磁场分布进行仿真，通过正交试验设计探讨典型磁极结构参数对密封能力的影响规律，采用正交回归设计得出密封能力与磁极结构参数的回归公式，用醇—水共热共沉淀法制备煤油基Fe3O4纳米磁性流体，并进行了密封实验。 正交分析表明磁极与转轴的间隙、极齿宽度、极齿高度、齿槽宽度、倒角宽度、倒角以及某些因素间的交互作用对密封性能有着重要影响；回归分析得到的多个轴径下的经验公式表明因素及其交互作用的影响规律是有差别的，在某一轴径下得到的最优磁极参数并不能完全用于其它不同的轴径；实验研究表明，数值仿真计算方法和回归方程的结果能较真实的反映密封性能，但由于仿真计算中的假设简化条件，实验结果比计算值偏低，在考虑一定裕度的情况下可以用公式指导纳米磁性流体密封装置的设计。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

学位论文创新性声明和使用授权的说明

第一章绪论

1.1纳米磁性流体密封和数值仿真计算方法概述

1.1.1纳米磁性流体密封

1.1.2数值仿真计算方法

1.2纳米磁性流体密封研究的目的、意义

1.3纳米磁性流体密封的研究方法和研究内容

1.3.1磁场分布的有限元数值仿真求解方法

1.3.2影响密封性能因素的正交分析

1.3.3密封压差经验公式的回归设计

1.3.4纳米磁性流体密封实验

1.4课题的来源背景

第二章基本理论分析

2.1磁性流体密封能力计算

2.1.1磁场对磁性介质的作用力

2.1.2磁性流体静力学分析

2.1.3磁性流体的密封压差

2.2磁场的数值仿真计算

2.2.1基本概念和基本方程

2.2.2位函数的微分方程

2.2.3位函数的边界条件

2.2.4位函数的边值问题

第三章密封系统磁场分布的仿真

3.1有限元计算软件简介

3.2数学物理模型的建立

3.2.1计算模型的建立

3.2.2单元的选取

3.3.3材料参数

3.3单元网格划分

3.4边界条件处理

3.5算例

第四章 密封承压能力影响因素正交及回归分析

4.1 正交设计计算

4.1.1指标、因素和水平的确定

4.1.2正交仿真计算试验

4.1.3结果方差分析

4.2回归设计计算

4.2.1因素水平范围及编码

4.2.2正交中心组合设计试验计划及结果

4.2.3数据分析和参数估计

4.2.4结果分析

4.3小结

第五章 纳米磁性流体密封实验

5.1纳米磁性流体密封实验装置

5.2实验方法及内容

5.2.1纳米磁性流体的制备

5.2.2纳米磁性流体的添加

5.2.3密封过程的加载及测量

5.3实验结果分析

第六章 结论

致谢

参考文献

附录A ANSYS APDL命令流程序

附录B 10号钢磁化曲线表

附录C数值法求回归方程极值的程序

附录D攻读学位期间发表的论文