干气密封螺旋槽内气体流场的有限元模拟

1、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(2007022*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13对机械密封流体

2、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:d Vd t =F- p+ 2V+13 ( V(1对于气体而言,忽略外力项F,则有:d Vd t =- p+ 2V+1

3、3 ( V(22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

4、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(061501,甘肃省自然科学基金资助项目(3ZS061A25051。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=1.8×10-5Pa s,密度=1.2g/

5、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=75°。边界条件:x =0.52mm /s,y =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24所示。图2速度矢量图图3X 向速度场分布云图从图24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4Y 向速度场分布云图3.2

6、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

7、,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(3:4749析.西安交通大学学报,2004,38(5:4744794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(1:53575王彤,徐洁,谷传国.微尺度效应对螺旋槽干气密封性能

8、的影响.工程物理学报,2004,25(增:39426Gabriel R P .Funda mentals of S p iral Gr oove Non 2Contac 2ting Face Seals .Lubricati on Engineering,1994(3:215224(收稿日期:2006211222,修回日期:2007201224F 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 theD ry Ga s S ea l Sp ira l G r oo ve sHUAN G Yifa

9、ng 1,D I N G Xuexing 2,ZHEN G J in 1,CHEN La nxin1(1L anzhou Petroche m ical College of V ocational Technology,L anzhou,730060,Gansu,China;2L 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 d

10、ry 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