干气密封螺旋槽内气体流场的有限元模拟

干气密封螺旋槽内气体流场的有限元模拟3
黄义仿33 丁雪兴 郑　劲　陈兰新 (兰州石化职业技术学院) (兰州理工大学) (兰州石化职业技术学院)
摘　要　利用ANSYS8.0对螺旋槽干气密封槽内气体层流流场进行了二维模拟分析,得到了气体的压力分布及速度分布云图,并分析了运算结果。

关键词　干气密封　螺旋槽　气体流场　有限元模拟
中图分类号　T Q051.21 文献标识码　A 文章编号　025426094(2007)022*******
干气密封是利用气体的动压效应来改善密封
端面的润滑状况,使端面间保持一气膜,从而实现
非接触密封,它是目前旋转机械轴端密封中最先
进的一种密封装置。

螺旋槽干气密封在工程运用
中的优越性引起了国内外学者的广泛关注,文献
[1～3]对机械密封流体流动场进行了研究,分析
流动特性、建立力学模型且计算一些流动参数,文
献[4]利用有限元分析了气膜厚度的微小扰动特
性,文献[5]利用微分方程推导出螺旋槽干气密
封内部流动的近似算法。

本文利用ANSYS软件
对槽内气体的流场作了有限元模拟分析,获得了
压力分布图及速度场云图,为螺旋槽干气密封的
优化设计、制造提供重要的理论依据。

1　槽内气体流场的边值问题
在计算过程中作如下假设:a.气体是等温流
动;b.气体流动为层流;c.压力和粘度沿气体厚度
方向不变;d.气体流动符合牛顿粘性定律。

N2S方程的一般式为:
ρd V
d t =ρF- p+μ 2V+
1
3
μ ( ・V)(1)
对于气体而言,忽略外力项F,则有:
ρd V
d t =- p+μ 2V+
1
3
μ ( ・V)(2)
2　边值问题的数值求解2.1　建立几何模型
利用ANSYS软件的前处理程序PREP7,经过单元类型选择、流体参数的确定、几何建模及单元生成等步骤,建立螺旋槽干气密封内部流动场的有限元分析模型,并对有限元的模型进行网格划分。

本文采用2D.fluid141的单元类型自底向上的建模方法建立有限元模型,共有147节点,120个单元。

有限元模型网格图如图1所示。

图1　螺旋槽有限元模型图
2.2　加载和求解
通过定义分析类型、分析选向,载荷数据和载荷步选项,然后开始有限元求解。

添加载荷数据后ANSYS软件将自动求解,并将结果保存在文件中。

2.3　后处理
可以通过友好的用户图形界面获得求解过程的计算结果,并对这些结果进行运算。

这些计算
59
第34卷　第2期 化　工　机　械
3 33甘肃省教育技术基金资助项目(0615—01),甘肃省自然科学基金资助项目(3ZS061—A25—051)。

黄义仿,男,1961年7月生,副教授,副院长。

甘肃省兰州市,730060。

结果包括速度、压力等,输出形式有图形显示和数
据列表两种。

后处理访问数据的方法有两种:一是通用后处理器post1检查整个模型或模型的某一部分中任意一个特定数据集的结果;二是时间历程后处理器post26,跨多个数据集检查选择的部分模型数据。

本文采用第一种后处理方法。

3　典型实例分析
取文献[6]中的实验数据:介质为空气,粘度
μ=1.8×10-5Pa ・s,密度ρ=1.2g/c m 3
,介质压力(外压)p 0=4.852MPa,转速n r =10380r/m in 。

内径R i =58.42mm ,外径R 0=77.78mm ,螺旋槽数n =10,螺旋角α=75°。

边界条件:νx =0.52mm /s,νy =1.93mm /s 。

3.1　速度场计算与分析
本例计算的基本数据是节点的速度数据,使用post1进行后处理,获得的速度矢量图、X 向和
Y 向速度场分布云图分别见图2～4所示。

图2　速度矢量图
图3　X 向速度场分布云图
从图2～4可知,在出口附近由于气体流动截面变窄,所以速度的变化较大,最大值会出现在该区域,螺旋槽中间段速度的变化比较平稳。

图4　Y 向速度场分布云图
3.2　压力场的计算分析
在ANSYS 的求解阶段,加压力载荷,后处理
采用后处理器post1。

获得的各节点压力分布如图5所示。

图5　压力场分布云图
从图5中可知,在出口附近压力的变化很大且有最大值,实现了在螺旋槽的尾端产生动压效
应,与设计初衷十分吻合,减少了内外压差,保证了密封的可靠性。

取文献[6]中实验数据与本文近似算法的计算结果进行比较,如图6所示。

从图6中可以看出,气体流入和流出两端误差较小,中间误差较大,最大误差为9173%。

其误差产生的原因是: a.流动模型的差异。

在计算气体流动过程中采用了层流流动模型,但在实际运行中气体并不是完全层流流动,而是含有湍流因子的层流流动;
b.流动计算的偏差。

在有限元计算时,采
用了线性有限元方法近似计算非线性N 2S 方程,其结果也存在误差。

69 化　工　机　械 2007年
图6　压力曲线对比图
4　结论
利用ANSYS8.0分析螺旋槽内的气体流场,对难以观察的场内变化进行了数值模拟,得到了速度场云图和压力场云图,实现了可视化计算,从
而为螺旋槽结构的优化设计提供了理论依据。

参
考文
献
1　蒋小文,顾伯勤.收敛楔形间隙中流体流动的数值模
拟.润滑与密封,2004(3):47～49
2　顾永泉.流体动密封.北京:中国石化出版社,19923　徐华,朱均.螺旋槽式液体机械密封的动力学性能分
析.西安交通大学学报,2004,38(5):474～479
4　李双喜,蔡纪宁,陈罕等.高速螺旋槽气体密封轴向微
扰的有限元分析.北京化工大学学报,2003,30(1):53～57
5　王彤,徐洁,谷传国.微尺度效应对螺旋槽干气密封性
能的影响.工程物理学报,2004,25(增):39～42
6　Gabriel R P .Funda mentals of S p iral Gr oove Non 2Contac 2
ting Face Seals .Lubricati on Engineering,1994(3):215～224
(收稿日期:2006211222,修回日期:2007201224)
F i n ite E l em en t S i m u l a ti o n o f the Ga s F l o w F i e l d i n the
D ry Ga s S ea l Sp ira l G r oo ve s
HUAN G Yifang 1,D I N G Xuexing 2,ZHEN G J in 1,CHEN La nxin
1
(1L anzhou Petroche m ical College of V ocational Technology,L anzhou,730060,Gansu,China;
2
L anzhou U niversity of Technology,L anzhou,730050,Gansu,China )
Ab s trac t A 22D si m ulative analysis was perf or med of the gas la m inar fl ow field in the dry gas seal s p iral gr ooves using ANSYS 8.0s oft w are,the cl oud charts of p ressure distributi on and vel ocity distributi on of gas were obtained,the calculati on result was analyzed .
Keywo rd s D ry Gas Seal,Sp iral Gr oove,Gas Fl ow Field,Finite Ele ment Si m ulati on
新型复混肥造粒机高效方便
近年来,河北衡水化肥干燥设备厂针对我国化肥生产设备更新换代的需要,研制开发出用于复混肥生产的新型对辊式造粒机新产品,高效方便,为提高化肥产品附加值开辟出一条新路子。

该设备具有投资小、工效高、性能优越以及使用方便等特性,通过采用对辊式干法生产工艺完成复混肥造粒,将物料在常温下直接压制成颗粒。

该设备以碳铵、尿素、氯化铵、磷铵等为基料生产的多元复混肥,强度高、缓释性能好,达到了长效、控释和缓释的效果,可提高肥效20%以上。

同时,该设备也解决了目前国内转鼓式、圆盘式造粒设备生产的有机肥颗粒强度不够等问题。

另外,由于设备采用干粉对辊压制造粒新工艺,使生产中的物料与物性无损失。

为使设备实现普及化生产,满足不同用户的需要,该公司还在小型化、多功能上下功夫,解决了旧机型设备体积大和产出率低等难题,体积仅为旧机型设备的1/5,且功效提高1倍,价格也仅为旧机型设备的20%,设备产能也由原来的日产20t 提高到150t,既满足了大型化肥生产企业的需要,也适应农资门市部、家庭作坊式生产。

7
9第34卷　第2期 化　工　机　械 。