以汽液兩相流理論及方法為基礎，采用CFD混合多相流模型，對處于高溫、高壓、高速復雜工況的波紋管集裝式機械密封裝置密封腔內兩相流場進行了數值建模和分析，得到了由沖洗口位置的不同和密封環旋轉引起的復雜三維流場特性，對不同的冷卻效果進行對比，得到了最佳冷卻位置，分析了密封腔內的溫度場、壓力場和速度場，并對比分析了密封腔壓力隨著不同主軸轉速和不同沖洗液入口速度所呈現的規律，為高參數復雜工況下波紋管集裝式機械密封裝置的結構優化設計提供了理論依據。

引言

　　高參數波紋管集裝式機械密封腔內流體存在著各種不同的相態：全液相密封、似液相密封、似汽相密封、全汽相密封，隨著工作介質和工作條件的改變，機械密封腔內流體的相態可以從一種相態轉變為另一種相態，機械密封在變工況以及高速、高溫、高壓復雜工況條件下機械密封腔內流體會變為汽液兩相混合狀態，進而造成密封環處的高溫，帶來許多問題：端面間的液膜汽化、密封環的熱變

　　形、密封環的熱裂等問題，導致密封裝置運行失效。為了保證機械密封長期穩定可靠的工作，必須對密封環采取冷卻措施。應用計算流體動力學(CFD)數值模擬計算理論及方法，采用混合多相流模型對密封腔內汽液兩相場的動力學特性進行數值計算，通過求解流體動力學控制方程，得到了沖洗口位置的不同對密封環冷卻效果的影響規律，同時可觀察各方向、各截面的流體流動情況。

2、CFD基本理論

　　流體流動要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：

　　質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。流動包含有不同成分(組元)的混合或相互作用，系統要遵守組分守恒定律。

　　2.1、質量守恒方程

　　式中：ρ—密度；t—時間；u—速度矢量。

　　2.2、動量守恒方程

　　2.3、能量守恒方程

　　式中：Cp是比熱容；T—溫度；k—流體的傳熱系數；ST—流體的內熱源及由于粘性作用流體機械能轉化為熱能的部分，有時簡稱ST為粘性耗散項。

　　2.4、組分質量守恒方程

　　式中：cs—組分s的體積濃度；ρcv—組分的質量濃度；Dv—該組分的擴散系數；ss—系統內部單位時間內單位體積通過化學反應產生的該組分的質量，即生產率。上式左側第一項、第二項、右側第一項和第二項，分別稱為時間變化率、對流項、擴散項和反應項。

3、CFD數值建模

　　3.1、CFD前處理

　　研究模型采用烏蘇市某公司生產的波紋管型機械密封裝置，如圖1所示。

　　在CFD的前處理軟件GAMBIT中建立密封腔內流場的三維幾何模型，應用體網格生成處理程序Tgrid，采用Tet/Hybrid混合單元模式對計算流體劃分網格，模型的網格，如圖2所示。生成單元總數為93184個。

　　3.2、邊界條件

　　邊界條件設置如下：冷卻油入口處為速度入口邊界，出口處為自由流出，軸套、動環座及動環表面設為旋轉邊界，其余均設為壁面邊界。計算區域的流體采用導熱油和空氣混合物，導熱油屬性，如表1所示。數值計算的邊界條件，如表2所示。

表1 密封腔內導熱油的材料屬性

表2 CFD數值計算模型的邊界條件

　　軸在一定的轉速下，改變沖洗口位置，得到腔內密封環處二相流體的速度矢量圖，觀察流線層的變化，分析冷卻口的位置對冷卻效果的影響。保持冷卻口位置不變，改變軸的軸徑和轉速，觀察密封腔壓力的變化。保持冷卻口和軸轉速的不變，改變軸徑和沖洗液的入口速度，觀察密封腔中壓力的變化。

4、數值仿真及結果分析

　　在保持軸轉速及沖洗液入口速度不變的情況下，改變沖洗口位置，觀察流場的變化。計算得到的密封腔內沖洗口分別在x=9.5、27、40.3時，密封腔密封環處橫截面速度矢量圖，如圖3~圖5所示。

　　從圖3~圖5可以看出，沖洗流體在密封環表面形成一個流線層，流層隨著冷卻口接近動環而更加緊密的向腔內凸出。這說明隨著沖洗口接近動環，流體更容易抵抗旋轉件的吸附力，在密封腔內形更好的冷卻循環。同時，在這些流線層區域內，流體流速在動環表面最大，流體更容易帶走動環表面的熱量，提高冷卻效果。沖洗口在密封腔X=40.3的渦量圖，如圖6所示。由圖6中可以看出，介質入口和出口以及旋轉件部分的渦量比較大，產生了比較強的回流。

　　沖洗口在密封腔X=40.3的溫度圖，如圖7所示。由圖7中可以看出，密封腔的總體溫度分布均勻，最高溫度發生在動環處，這是因為動環及旋轉部件的運動產生了攪拌熱。

　　沖洗口在x=40.3時，密封腔的壓力分布圖，如圖8所示。密封腔高壓集中在冷卻液入口出口及旋轉部件周圍，密封腔的平均壓力為18838.61Pa，最高壓力為32811.75Pa。

　　沖洗口在x=40.3，軸徑分別為d=130和d=110時，密封腔平均壓力隨軸不同轉速的變化曲線，如圖9所示。由圖9中可以看出在沖洗液入口速度一定的情況下，軸的轉速越高，密封腔的壓力也隨之升高，軸徑d=130時的密封腔壓力值高于d=110時的壓力值且上升速度較快。軸徑分別為d=130和d=110時，軸速一定的條件下，密封腔平均壓力隨沖洗液入口速度不同的變化曲線，如圖10所示。軸徑d=130時的平均壓力值高于軸徑d=110時的平均壓力值。

5、結論

　　密封腔沖洗口的位置越接近密封環，動環表面的流線層越緊密且向內部突出，流體更容易抵抗旋轉部件的吸附力，冷卻效果越明顯。在冷卻口位置及入口速度不變的條件下，密封腔平均壓力隨主軸轉速的上升而逐漸升高，軸徑越大，壓力值越大且上升明顯。因此，在研究動靜環及其之間的油膜時，密封腔的壓力變化情況不可忽視。