【正文】 1 英文文獻(xiàn)翻譯 國際熱科學(xué)雜志 48（ 2020） 781794 端面機(jī)械密封裝置的熱傳遞 ， Beno238。tModolo 摘要 本文運用 CFD，對一個用于實驗的的受內(nèi)壓端面密封裝置的熱傳導(dǎo)進(jìn)行了數(shù)值分析。這種構(gòu)造類似于存在于靜止的和旋轉(zhuǎn)的圓盤及旋轉(zhuǎn)的側(cè)壁之間的層流。通過一系列的仿真，作者提出一個整體努塞爾系數(shù)，用于描述旋轉(zhuǎn)圓環(huán)和靜盤數(shù)的相關(guān)性。努塞爾數(shù)是流體的雷諾功能數(shù)和普朗特數(shù)，以及流體與材料導(dǎo)熱系數(shù)比例三者的函數(shù)。最后的結(jié)論認(rèn)為在熱源位于轉(zhuǎn)子和定子的接觸處，并取決于固體溫度分 布。該冷卻油流似乎不影響塞爾系數(shù)。數(shù)值計算結(jié)果通過與采用紅外線照相機(jī)對實驗密封裝置測試的結(jié)果比較，得到驗證。 關(guān)鍵詞：對流換熱 。紅外熱像，轉(zhuǎn)子 定子 。端面機(jī)械密封 。CFD（計算流體動力學(xué)） 端面機(jī)械密封用于密封旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的受壓流體，如泵，壓縮機(jī)和攪拌機(jī)，由于存在壓力，溫度和速度，因而不能使用彈性體密封。這些密封裝置通常是由安裝在軸上的旋轉(zhuǎn)部分和固定在箱體上的靜止部分組成。這兩個部分是由彈簧行動和受壓液保持接觸（圖 1）。取得了良好的經(jīng)營條件時，當(dāng)密封面被潤滑油膜（很薄，微米級）部分的分開時可 達(dá)到良好的工作狀況，此時避免了摩擦并將滲流率限制在可接受的范圍。 圖 英文文獻(xiàn)翻譯 符號表 Cp液體比熱………………… JKg1℃ 1 ???2Re rr ?局部雷諾數(shù) RmCw ???因次質(zhì)量流率（冷卻流） Ri 靜環(huán)內(nèi)徑……………………… m RmCwc c???因次質(zhì)量流率（離心誘導(dǎo)流） R0 動環(huán)外徑……………… … m RHG?差比 T溫度……………………………℃ H軸向間隙……………………… …… m Tinlet密封腔入口油溫 k流體熱導(dǎo)率………………… Wm1℃ 1 rVrU ???? ?? , 徑向，周向流速 Kr， ks 轉(zhuǎn)子、定子熱導(dǎo)率……… m1℃ 1 Z軸向坐標(biāo)……………………… m m? 質(zhì)量流量的冷卻流…………… kgs1 希臘字符 cm? 離心作用引起的質(zhì)量流……… kgs1 δ m，δ t 動量厚度和熱邊界層厚度… m TkqrNu ??局部努塞爾數(shù) Δ T=TTinlet流體溫升……………℃ kT RqNu avavav ??全局努塞爾數(shù) μ流體粘度…………………… Pas q頂熱通量……………………… Wm2 ρ流體密度…………………… Kgm3 P密封端面消耗的功率…………… W ω角速度……………………… rads1 kCp??Pr普朗特數(shù) 下標(biāo) r徑向坐標(biāo)………………………… m av平均面積 R動環(huán)的內(nèi)徑……………………… m r轉(zhuǎn)子 ???2Re R? 雷諾數(shù) S 定子 Lebeck 在文獻(xiàn) [1]指出，機(jī)械端面密封性能受熱分布的影響和受任何其他因素影響的程度是一樣的。事實上，由于密封面的粘性摩擦和粗糙面接觸造成的能量消耗，使得液體油膜和相鄰固體的溫度急劇升高 [2,3]。因此，流體粘度變化，密封環(huán)的熱變形和可能的相變會使?jié)櫥瑺顩r發(fā)生改變。對這些變化的可能導(dǎo)致密封泄漏率增大或密封失效。這就是為什么近數(shù)十年來有許多與熱效應(yīng)處理相關(guān)的研究。文獻(xiàn) [4]作了一個簡要回顧。這些文獻(xiàn)的主要目的是根據(jù)理論方法來衡量或判斷密封面的溫度。 Lebeck，在他的書中，對端面機(jī)械密封熱傳遞進(jìn)行了全面的 描述，如圖 1。因為密封處在復(fù)雜的環(huán)境，所以傳熱機(jī)制相當(dāng)復(fù)雜。由于這種對環(huán)境的特點，傳熱路徑是多重的，導(dǎo)致熱流量計算的復(fù)雜。然而，在密封裝置里產(chǎn)生熱量的重要組成部分一般是通過對流傳輸接觸附近的密封流體。文獻(xiàn) [5]中巴克的簡化分析和文獻(xiàn) [6]英文文獻(xiàn)翻譯 中 Bruiere 進(jìn)行的數(shù)值研究使這一假設(shè)得到了證實。這表明，對于一個典型的結(jié)構(gòu)，在密封面的兩側(cè)，熱影響區(qū)長度是接觸寬度的大約兩倍（例如接觸半徑）。所以，密封環(huán)周圍的對流，在密封的熱傳遞中是重要的部分。 在 90 年代初，一些學(xué)者建議采用一個與端面機(jī)械密封盡可能相似的構(gòu)造， 獲得經(jīng)驗性努塞爾數(shù)。文獻(xiàn) [7]中 Nau 認(rèn)為，密封腔流是一個庫埃特泰勒流。他建議使用由 Tachibana et al[8]和 Gazley[9]得到的公式，該兩文獻(xiàn)研究由旋轉(zhuǎn)圓環(huán)的內(nèi)面和靜止圓環(huán)的外面組成環(huán)面中的熱傳遞。文獻(xiàn) [10]對此類流動的熱傳遞作了全面的概括。另一方面， Lebeck[1]建議用 Becker[11]中更有用的相關(guān)數(shù)，此相關(guān)數(shù)由對水箱中小直徑的旋轉(zhuǎn)圓筒進(jìn)行試驗得到。但與端面機(jī)械密封中的太雷諾數(shù)相比， Becker 公式的適用范圍很小 [1]。此外，端面機(jī)械密封還包含一個靜環(huán)，前面的相關(guān)數(shù)顯得不太合適 。 1991 年， Doane 等 [12]首次對機(jī)械端面密封的努塞爾數(shù)進(jìn)行測量。他們對密封裝置的固定部分研究，結(jié)果與 Reynolds 數(shù)相關(guān) 。幾年后，飛利浦等在文獻(xiàn) [13]中，就一個密封裝置的靜環(huán)做了類似的實驗。測量的努塞爾數(shù)接近 Gazley [9] and Becker [11]所得的相關(guān)數(shù)，從而驗證了 Nau [7] and Lebeck [1]的建議 。兩數(shù)年之后，這些作者 [14]進(jìn)行了對其實驗裝置的傳傳遞和流體流動的數(shù)值模擬。這種做法，與實驗得出的結(jié)果非常一致，因而，作者可以獲得更充分的沿浸潤表面的局部努塞爾 t 數(shù) 。與此同時， Lebeck， Nygren， Shirazi 的提出了關(guān)于機(jī)械密封及周腔熱傳遞實驗的和數(shù)值的結(jié)果 [16]。他們強調(diào)，旋轉(zhuǎn)環(huán)的努塞爾數(shù)和 Becker 的 公式 [11]非常吻合。所有提到的文獻(xiàn)是針對湍流。當(dāng)密封流體是一種高粘度礦物油，流動體是層狀的，就像Luan and Khonsari 在 [17]中所述。 在他們的數(shù)值研究中， Luan 和 Khonsari 只分析流體流動，尤其是密封中軸向冷卻流和由角運動誘發(fā)的環(huán)泰勒流的相互作用。 以往所有的研究針對端面機(jī)械密封熱傳遞，沒有研究者著手研究努塞爾數(shù)的相關(guān)性。此外，研 究者用他們的研究結(jié)果與由均勻加熱的旋轉(zhuǎn)圓筒中流體的經(jīng)驗公式進(jìn)行比較。這與端面機(jī)械密封有著非常大的差別，端面機(jī)械密封的熱源在密封面處。因此，努塞爾數(shù)還取決于在密封環(huán)的溫度分布，這是一個關(guān)于材料性能的函數(shù)。此外，還沒有學(xué)者對內(nèi)壓端面機(jī)械密封進(jìn)行研究，這種密封液位于旋轉(zhuǎn)軸和密封環(huán)之間的技術(shù)很沒有廣泛應(yīng)用。目前研究的目標(biāo)是對端面機(jī)械密封進(jìn)行數(shù)值分析，并在較小程度上，進(jìn)行試驗分析。該實驗實驗性的密封設(shè)計的主要用途是通過紅外溫度測量接觸驗證數(shù)值模型 [3,4]，因而它與工業(yè)中機(jī)械端面密封非常不同。更大的不同時，密封受內(nèi)壓 和運用高粘度礦物油造成層流。此外，軸未通過封腔，導(dǎo)致類似轉(zhuǎn)英文文獻(xiàn)翻譯 子 定子的流動 [18]。數(shù)值仿真允許作者提出對于旋轉(zhuǎn)和固定部位的雷諾數(shù)，努塞爾數(shù)是流體的雷諾功能數(shù)和普朗特數(shù)，以及流體與材料導(dǎo)熱系數(shù)比例三者的函數(shù)。幾何參數(shù)的影響未進(jìn)行分析。溫度分布的數(shù)值和實驗結(jié)果與努塞爾數(shù)一致。 機(jī)械端面密封實驗裝置如圖 2，碳轉(zhuǎn)子通過支持和錐形擴(kuò)張固定在軸上。由螢石（氟化鈣）制成的定子，固定在一個環(huán)形活塞上，確保相對于機(jī)架的有三個自由度。保證了轉(zhuǎn)子偏心的動態(tài)跟蹤。定子由作用在活塞頂面的壓 縮空氣壓向轉(zhuǎn)子。密封組件的材料熱特性列于表 1。在控制壓力和溫度下，液壓裝置提供油。油是 ISO VG 46，其特性列于表 2。操作步驟和主要尺寸參數(shù)列于表 3。 背景 在機(jī)械端面密封油流類似于靜態(tài)盤和旋轉(zhuǎn)盤及旋轉(zhuǎn)側(cè)壁之間的流體。 Owen and Rogers [18]建議采用以下雷諾數(shù)描述流體的特點： 2e RR ???? （ 1） 由于存在質(zhì)流比為 m 的油，產(chǎn)生了流體疊加 ，我們用 Owen and Rogers 提出的無量綱流速比： W mC R?? (2) 流量也是幾何參數(shù)的函數(shù)，是一種間隙比： HG R? (3) 本文的仿真中尺寸參數(shù)為常數(shù)，軸向間隙 H = mm， R = mm，因此， G = 。 雷諾數(shù)從 600到 800之間變化。 1960年， Daily and Neece [19]用實驗分析了圖 英文文獻(xiàn)翻譯 封閉的旋轉(zhuǎn)盤。他們考察了，隨著間隙比 G 和雷諾數(shù) Re的變化的四個不同的區(qū)域。根據(jù)他們的區(qū)域圖，本文的密封裝置位于 II區(qū)，也就是說一個流層有兩個分開的邊界層，每個盤上有一個。 表 熱傳導(dǎo)率 k（ W/m ℃） 元件 碳 15 轉(zhuǎn)子 不銹鋼 46 軸、活塞、支撐體、膨脹體 氟化鈣 定子 彈性體 密封件 表 密度 ρ（ Kg/m3） 850 比熱 Cp（ J/Kg℃） 2020 熱導(dǎo)率 k（ W/m℃） 運動粘度μ（ Pas） (35℃ ) 表 角速度ω（ rpm） 3001500 流體壓力（ Pa） 50000 入口流體溫度（℃） 35 質(zhì)量流 m? （ kg/s） 轉(zhuǎn)子內(nèi)徑 R(m) 轉(zhuǎn)子外徑 R0（ m） 圓盤內(nèi)徑 Ri（ m） 軸向間隙 H（ m） 圓盤厚度 E（ m） 第二層冷卻流為油從旋轉(zhuǎn)部分留到靜止部分提供了通道。這類似于由離心力作用產(chǎn)生的流動。無量綱的流動率 從 80。 在流體的熱傳遞是一個流動性的函數(shù)，從而取決于雷諾數(shù)，流率和間隙比。然而，熱特性 和力學(xué)性能之間存在差異，這種差異用 普朗特數(shù)衡量： r CpP k?? （ 4） 特別地，這個數(shù)決定動量邊界層與熱邊界層的比值 [20]： m rt P?? ? （ 5） 本文中油的的普朗特殊從 330 變化到 1330，因而，邊界層厚度的比值從 18 變化至 36。 在 Owen and Rogers[18]書中描述的大多數(shù)情況下，力學(xué)問題和熱問題是類似的，因為在旋轉(zhuǎn)圓盤上的熱源，同時又顯然是動能源。本文中中，熱源位于密封界面。因此，努塞爾數(shù)也取決于在密封環(huán)的溫度分布，它是材料性能的函數(shù)。這里需要要英文文獻(xiàn)翻譯 介紹另一個無量綱參數(shù)： rkk 或 skk （ 6） 即流體的熱導(dǎo)率ｋ與固體熱導(dǎo)率的比值（定子用 ks 和轉(zhuǎn)子用 kr）。無量綱數(shù)的變化范圍列于表 4。 表 雷諾數(shù) Re 6008000 質(zhì)量流 Cw 差比 G 普朗特數(shù) 3301330 轉(zhuǎn)子導(dǎo)電率 k/kr 定子導(dǎo)電率 k/ks 數(shù)值仿真用 CFD 來進(jìn)行。假設(shè)所研究的目標(biāo)問題是軸對稱的。數(shù)值分析中的網(wǎng)格和邊界條件示于圖 3。 結(jié)合圓周速度項和連續(xù)性方程，對二維軸對稱 NavierStokes 方程，在流體域進(jìn)行了求解。此外考慮了切向動量方程，用于描述速度的渦流。正如先前所說，流體流動是層流。由 于壓力值對本研究沒有用處，引入進(jìn)入流質(zhì)量用在油進(jìn)入的部分。使得沿入口部分有相同的流速分布，它的大小相對于額定質(zhì)量流來計算。出口部分引入出口量。從而所以流動變量為零分散且確保了整體的質(zhì)量平衡。當(dāng)流體充分流動的時候能夠達(dá)到零分散，即考慮出口環(huán)形管的長度時，這是合理的假設(shè)（見圖 2）。另外，環(huán)形側(cè)壁有一個角速度如圖 3。 在全域，包括固體和液體。求解能量方程，由于油的粘度高，所以能量方程中考慮了油的損耗。流體進(jìn)入密封腔溫度均為 35 攝氏度。由于求解轉(zhuǎn)子和定子接觸處的潤滑方程是不可能且不合理的，所以，密封界面產(chǎn)生的熱量用 熱源來模擬。為此 圖 英文文獻(xiàn)翻譯 在旋轉(zhuǎn)環(huán)和靜止盤之間放入薄固體層，可見圖 3，該零件加入均勻分布的熱源。要獲得可靠的固體之間的熱量分配，熱源零件非常薄（ 毫米），且具有較高的熱導(dǎo)率（ 1 11500Wm C ）。熱源處的功率為Ｐ，它是角速度的函數(shù)，為了模仿真實情況，函數(shù)由實驗得到： ( ) 011 8 966 722P ? ? ?? ? ? ? 其中， 60 ? 1160rad s (7) 值得注意的是，消耗功率值對上述結(jié)果沒有影響，因為入口處溫度的升高及腔壁的熱變化與熱源值成比例。 本文中為得到簡單的數(shù)值模型，忽略了傳遞到周圍空氣的熱量。實際中，空氣的流動，需要大量的節(jié)點來準(zhǔn)確估計。但是，用 Becker 系數(shù)來計算旋轉(zhuǎn)環(huán)周圍的受熱對流系數(shù)，其值從 20 到 35 1 1WmC 空氣為 20 攝氏度。氣壓由旋轉(zhuǎn)速度決定。這些值與對油浸面計算的值（ 380 到 2020 1 1WmC ）要低 10 到 100 倍。假定盤的上表面的自然對流值更低。此外，先前的工作表明，傳遞到空氣中的熱量，比油流傳遞的熱量低兩個數(shù)量級 [4]。因此這個假設(shè)算是合理。另外，考慮到溫度值 （低于 80攝氏度） ，由輻射轉(zhuǎn)移的熱量也被忽略。外邊界看做是絕熱壁。 如前一節(jié)所述，由于油的 普朗特數(shù)很大，熱邊界層當(dāng)做非常薄 （見式（ 5））。因此有必要在側(cè)壁附近細(xì)化網(wǎng)格，如圖 3。大多數(shù)情況溫度邊界層用 6 個節(jié)點，其他一些模型處用 10 個或更多節(jié)點。 分析