【正文】 (13) 在用 CFD 仿真時，這一項可以很容易求得。只是由于旋轉盤上的離心力作用，使與邊界層產(chǎn)生相互作用。轉子邊緣的急劇減少是由于表面之間的轉角使得流線到表面的距離增加而產(chǎn)生的，如圖 4 和圖 6 所示。這個結果表明，努塞爾數(shù)分布圖中左側高峰 結論也是一致的。在此之后，努塞爾數(shù)沿著盤的半徑逐漸減小到零。位于外徑的高峰有相當窄的寬度，但在數(shù)量上略有差異。據(jù)先前的研究顯示，這一數(shù)值對密封腔內的外區(qū)域層流并沒有影響（圖6 和 7）。熱參數(shù)的影響在這一節(jié)并沒有體現(xiàn)，而是在下文中分析。 圖 12. Re=2042， Pr=667， k/ks=， k/kr=15 時的局部努塞爾數(shù)分布情況：（ a）沿動環(huán)分布；（ b）沿靜環(huán)分布 （ a） （ b） 英文文獻翻譯 普朗特數(shù)對努賽爾數(shù)的影響顯示在圖 13 中。這兩個冪公式里的指數(shù)比公式（ 5）中給出的理論值（ ）低。 圖 14 中顯示了定子和轉子上全局努塞爾數(shù)的變化，它是無量綱質量流量 Cw的函數(shù)。因此，努塞爾的相關效應中可以忽略 Cw值的影響。結果圖很引人注意，因為它顯示了一個參數(shù)的影響，這個參數(shù)一般對努塞爾數(shù)沒有影響。這種差異可以解釋為，在接觸點附近沿著轉子從最冷點到最熱點的油流方向與定子的溫度分布相反。努塞爾數(shù)的相關公式是： 2 2 5 2 5 6 1 )(ra v r kkNu ??? （ 22） 12 2 1 )( ???? sav s kkNu （ 23） 正如前面一節(jié)討論的局部努賽爾數(shù)，公式（ 22）和（ 23）中的雷諾數(shù)指數(shù)接近圖 比例縮放與雷諾數(shù) 圖 （轉子 a=，定子 a=）與導電率（ Re=2042， Cw=） 英文文獻翻譯 于 。 6 比較實驗 本節(jié)對數(shù)值計算結果與實驗結果進行了比較。為了測得碳環(huán)溫度，相關的輻射方程見公式 [24]。因此，根據(jù)電力消耗和沒有密封之間的區(qū)別來測量接觸消耗的功率。 圖 18 中顯示出數(shù)值模擬和實驗研究中溫度分布沿轉子的變化情況?？梢钥闯觯斂拷佑|面幾毫米時，轉子外表面上的實驗分布減少。對于較低的雷諾數(shù)值，觀察到的模擬值與實驗值一致。事實上，我們觀察到，如果把錯誤點除去，外表面上的實驗溫度分布，可以準確地用二階多項式函數(shù)表示，如圖 18 所示。由于進油溫度隨著測試黏度的變化而變化，因此用公式（ 18）計算，普朗特數(shù)的影響是無效的。 表面溫度在機械密封中是一個關鍵參數(shù)。密封的液體是一種高粘度礦物油，可以產(chǎn)生層流結構。 根據(jù)模擬數(shù)值，我們提出了旋轉環(huán)和靜態(tài)盤上全局努塞爾數(shù)之間的相關性。關系（增加或減少函數(shù)）取決于流動方向和固體中的溫度分布。先前在端面機械密封中觀察到局部努塞爾數(shù)沿密封件有很大差異。l Brui232。 Mechanical Face Seal。 Infrared thermography。通過紅外熱成像原理，實驗元件上的溫度分布得到測定，與溫度曲線非常一致。這是值得注意的，因為端面機械密封一般是由碳化硅等材料制成的環(huán)，優(yōu)良的熱導體，和熱導率大約低于 10倍的碳環(huán)組成。冷卻流只對傳熱有影響，但影響不大。動量邊界層的厚度反比于雷諾數(shù)的平方根。這一結論在文獻中找不到相類似的。比較表明 ，當與雷諾數(shù)的影響比較時，無量綱流速只對努塞爾數(shù)有較小的影響。為此，轉子的傳導方程 如下： 01 2222 ????????? zTrTrTr （ 24） 假定環(huán)的外表面絕熱： 0???rT at r=R0 (25) 此外，我們先前表示，外表面的溫度可以用二階多項式函數(shù)準確地表示： T(z)=az2+bz+c at r=R0 (26) 這方程的一個特解是： 圖 18. 轉子上的溫度分布比較（ Cw=， Pr=750） 圖 19. 轉子上努塞 爾數(shù) 比較 英文文獻翻譯 cbzazRrRraRzrT ?????? 220202 )]1()[l n(),( 0 (27) 轉子內徑上頂熱通量的平均值是： )1(),(120200 RRRaRkdzzRrTkHq rHrav ????? ? (28) 平均溫度是： cbHaHRRRRaRdzzRTHT Hav ??????? ? 23)]1()[l n(),(1 22020200 (29) 因此，知道了擬合曲線（ 26）的系數(shù)和進油口的溫度，從平均熱通量（ 28）和平均溫度（ 29）我們可以很容易地得到全局努塞爾數(shù)（ 16）。這種差異可以解釋為耗散功率測量時的不確定性。這個問題是由于漏油圖 設備 英文文獻翻譯 而導致在轉子上部和靜態(tài)盤半徑之間形成彎液面，也就是低估了溫度源?？梢灶A見溫度的最大值出現(xiàn)在接觸面上。在溫度測量方面，這種不確定性大約為 2攝氏度。 利用電子技術可以測量出接觸所消耗的功率。放在機械密封端面上的紅外線攝像頭使得溫度分布由通 過靜態(tài)螢石盤和潤滑膜的轉子面所決定。在實驗研究層流流態(tài)中沒有覆蓋的轉子 定子系統(tǒng)時， Boutarfa 和Harmand[23]發(fā)現(xiàn)，當間隙比值大于 ，旋轉盤的努塞爾數(shù)是雷諾數(shù)平方根的函數(shù)?？紤]到所有模擬實驗中的各種普朗特數(shù)和導電率，努塞爾數(shù)利用公式（ 18） （ 21）進行縮放。在目前的情況下，由于局部熱源從固體到流體的熱分布取決于固體的導電性。固體的導電性隨著流體導電性的變化而變化，從而導致了普朗特數(shù)的變化。然而，當 Cw 值很大時定子的努塞爾數(shù)略有減少。然而，如果用公式（ 19）計算動量邊界層和定子熱邊界層的厚度 比，會得到值 （對應 Pr=667）。正如所料，努塞爾數(shù)是Pr 的遞增函數(shù)。本節(jié)的目的在于提出這個數(shù)值與另一個無量綱參數(shù)之間的相關性。 這就是說熱參數(shù)的普朗特數(shù)和導電率并不改變當?shù)嘏悹柷€的形狀只改變其規(guī)模。因此定子上努塞爾數(shù)分布圖并沒有轉子的那么清晰。接觸點附近觀察到的高峰位置與旋轉 環(huán)上邊界層的厚度有關，這是關于雷諾數(shù)的遞減函數(shù)。這三條曲線也有類似的形狀，雷諾數(shù)的增加使得熱傳遞更為有效。因為，熱邊界層與雷諾數(shù)的平方根是成（ a） 圖 =， Pr=667， k/ks=， k/kr=15 時的局部努塞爾數(shù)沿動環(huán)分布情況（ a）努塞爾數(shù)與坐標；（ b）在上升坐標系中調整努塞爾數(shù)；（ c）在下降坐標系中調整努塞爾數(shù) （ b） （ c） 英文文獻翻譯 反比關系的，用這種方法對雷諾數(shù)重新縮放是很方便的。 然后在接觸點附近突然急劇上升和下降（即在 Z坐標 0）。圖 10（ a）中的所有曲線有相同的形狀。這比由方程（ 5）計算的 25 要小。僅在壁的附近能夠看到一個薄的熱分階層。圖 8 是油和固體溫度分布的例子。事實上，如果無量綱徑向速度在 r/R=. 是作為一個距靜盤無量綱距離的函數(shù)（如圖 7 中根據(jù)雷諾數(shù)的均分根重新定義）質量流不會改變速度曲線。受迫流速 Cw 與自然流速 Cwc 的比值由方程 11 求得，這種情況下為英文文獻翻譯 ，另外兩種情況下均小于１。圖５中考慮速度圖到負值區(qū)，質量流量可由離心作用估計： 0 .9 7 2ceRmH R???? (10) 同樣針對冷卻流，可以定義一個無量綱質量流率： 0 .9 7cwc mC G R eR ???? (11) Cw 的影響 圖 6 顯示了，三個無量綱質量流質及 Re = 2042，情況下的流線圖和無量綱旋轉速度矢量。 無量綱徑向速度 r/R 的 =.，如圖５所示，是距離靜盤無量綱距離的函數(shù)，圖示 為前文提到的三個雷諾數(shù)的情況。 在外圍區(qū)，腔壁的垂直距離較高，可以觀察到兩種截然不同的邊界層。 的影響 圖 4 顯示了三個不同雷諾數(shù)情況下的流線圖和無量綱旋轉速度矢量。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。另外，考慮到溫度值 （低于 80攝氏度） ，由輻射轉移的熱量也被忽略。這些值與對油浸面計算的值（ 380 到 2020 1 1WmC ）要低 10 到 100 倍。 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。由于求解轉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。另外，環(huán)形側壁有一個角速度如圖 3。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量流來計算。 結合圓周速度項和連續(xù)性方程，對二維軸對稱 NavierStokes 方程，在流體域進行了求解。無量綱數(shù)的變化范圍列于表 4。 在 Owen and Rogers[18]書中描述的大多數(shù)情況下，力學問題和熱問題是類似的，因為在旋轉圓盤上的熱源，同時又顯然是動能源。這類似于由離心力作用產(chǎn)生的流動。 1960年， Daily and Neece [19]用實驗分析了圖 英文文獻翻譯 封閉的旋轉盤。操作步驟和主要尺寸參數(shù)列于表 3。定子由作用在活塞頂面的壓 縮空氣壓向轉子。溫度分布的數(shù)值和實驗結果與努塞爾數(shù)一致。更大的不同時，密封受內壓 和運用高粘度礦物油造成層流。因此，努塞爾數(shù)還取決于在密封環(huán)的溫度分布，這是一個關于材料性能的函數(shù)。 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。與此同時， Lebeck， Nygren， Shirazi 的提出了關于機械密封及周腔熱傳遞實驗的和數(shù)值的結果 [16]。幾年后，飛利浦等在文獻 [13]中，就一個密封裝置的靜環(huán)做了類似的實驗。但與端面機械密封中的太雷諾數(shù)相比， Becker 公式的適用范圍很小 [1]。文獻 [7]中 Nau 認為，密封腔流是一個庫埃特泰勒流。文獻 [5]中巴克的簡化分析和文獻 [6]英文文獻翻譯 中 Bruiere 進行的數(shù)值研究使這一假設得到了證實。 Lebeck，在他的書中，對端面機械密封熱傳遞進行了全面的 描述，如圖 1。對這些變化的可能導致密封泄漏率增大或密封失效。取得了良好的經(jīng)營條件時，當密封面被潤滑油膜（很薄，微米級）部分的分開時可 達到良好的工作狀況，此時避免了摩擦并將滲流率限制在可接受的范圍。端面機械密封 。該冷卻油流似乎不影響塞爾系數(shù)。這種構造類似于存在于靜止的和旋轉的圓盤及旋轉的側壁之間的層流。tModolo 摘要 本文運用 CFD，對一個用于實驗的的受內壓端面密封裝置的熱傳導進行了數(shù)值分析。最后的結論認為在熱源位于轉子和定子的接觸處，并取決于固體溫度分 布。紅外熱像，轉子 定子 。這兩個部分是由彈簧行動和受壓液保持接觸（圖 1）。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。這些文獻的主要目的是根據(jù)理論方法來衡量或判斷密封面的溫度。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。 在 90 年代初，一些學者建議采用一個與端面機械密封盡可能相似的構造， 獲得經(jīng)驗性努塞爾數(shù)。另一方面， Lebeck[1]建議用 Becker[11]中更有用的相關數(shù)，此相關數(shù)由對水箱中小直徑的旋轉圓筒進行試驗得到。他們對密封裝置的固定部分研究，結果與 Reynolds 數(shù)相關 。這種做法，與實驗得出的結果非常一致，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) 。當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。這與端面機械密封有著非常大的差別，端面機械密封的熱源在密封面處。該實驗實驗性的密封設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)中機械端面密封非常不同。幾何參數(shù)的影響未進行分析。保證了轉子偏心的動態(tài)跟蹤。油是 ISO VG 46，其特性列于表 2。 雷諾數(shù)從 600到 800之間變化。 表 熱傳導率 k（ W/m ℃） 元件 碳 15 轉子 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 質量流 m? （ kg/s） 轉子內徑 R(m) 轉子外徑 R0（ m） 圓盤內徑 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部分留到靜止部分提供了通道。然而，熱特性 和力學性能之間存在差異，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。這里需要要英文文獻翻譯