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1、英文文献翻译英文文献翻译国际热科学杂志48（2009）781-794端面机械密封装置的热传递No.lBrunetire，BenotModolo摘要 本文运用CFD，对一个用于实验的的受内压端面密封装置的热传导进行了数值分析。这种构造类似于存在于静止的和旋转的圆盘及旋转的侧壁之间的层流。通过一系列的仿真，作者提出一个整体努塞尔系数，用于描述旋转圆环和静盘数的相关性。努塞尔数是流体的雷诺功能数和普朗特数，以及流体与材料导热系数比例三者的函数。最后的结论认为在热源位于转子和定子的接触处，并取决于固体温度分布。该冷却油流似乎不影响塞尔系数。数值计算结果通过与采用红外线照相机对实验密封装置测试的结果比较
2、，得到验证。关键词：对流换热;红外热像，转子-定子;端面机械密封;CFD（计算流体动力学）1.引言 图1.端面机械密封模型端面机械密封用于密封旋转机械中的受压流体，如泵，压缩机和搅拌机，由于存在压力，温度和速度，因而不能使用弹性体密封。这些密封装置通常是由安装在轴上的旋转部分和固定在箱体上的静止部分组成。这两个部分是由弹簧行动和受压液保持接触（图1）。取得了良好的经营条件时，当密封面被润滑油膜（很薄，微米级）部分的分开时可达到良好的工作状况，此时避免了摩擦并将渗流率限制在可接受的范围。符号表Cp液体比热JKg-1-1局部雷诺数因次质量流率（冷却流）Ri静环内径m因次质量流率（离心诱导流）R0
3、动环外径 m差比T温度H轴向间隙mTinlet密封腔入口油温k流体热导率Wm-1-1径向，周向流速Kr，ks转子、定子热导率m-1-1Z轴向坐标m质量流量的冷却流kgs-1希腊字符离心作用引起的质量流kgs-1m，t动量厚度和热边界层厚度m局部努塞尔数T=T-Tinlet流体温升全局努塞尔数流体粘度Pasq顶热通量Wm-2流体密度Kgm-3P密封端面消耗的功率W角速度rads-1普朗特数下标r径向坐标mav平均面积R动环的内径mr转子雷诺数S 定子Lebeck在文献1指出，机械端面密封性能受热分布的影响和受任何其他因素影响的程度是一样的。事实上，由于密封面的粘性摩擦和粗糙面接触造成的能量消耗，
4、使得液体油膜和相邻固体的温度急剧升高2,3。因此，流体粘度变化，密封环的热变形和可能的相变会使润滑状况发生改变。对这些变化的可能导致密封泄漏率增大或密封失效。这就是为什么近数十年来有许多与热效应处理相关的研究。文献4作了一个简要回顾。这些文献的主要目的是根据理论方法来衡量或判断密封面的温度。Lebeck，在他的书中，对端面机械密封热传递进行了全面的描述，如图1。因为密封处在复杂的环境，所以传热机制相当复杂。由于这种对环境的特点，传热路径是多重的，导致热流量计算的复杂。然而，在密封装置里产生热量的重要组成部分一般是通过对流传输接触附近的密封流体。文献5中巴克的简化分析和文献6中Brunetier
5、e进行的数值研究使这一假设得到了证实。这表明，对于一个典型的结构，在密封面的两侧，热影响区长度是接触宽度的大约两倍（例如接触半径）。所以，密封环周围的对流，在密封的热传递中是重要的部分。在90年代初，一些学者建议采用一个与端面机械密封尽可能相似的构造，获得经验性努塞尔数。文献7中Nau认为，密封腔流是一个库埃特泰勒流。他建议使用由Tachibana et al8和Gazley9得到的公式，该两文献研究由旋转圆环的内面和静止圆环的外面组成环面中的热传递。文献10对此类流动的热传递作了全面的概括。另一方面，Lebeck1建议用Becker11中更有用的相关数，此相关数由对水箱中小直径的旋转圆筒进行
6、试验得到。但与端面机械密封中的太雷诺数相比，Becker公式的适用范围很小1。此外，端面机械密封还包含一个静环，前面的相关数显得不太合适。1991年，Doane等12首次对机械端面密封的努塞尔数进行测量。他们对密封装置的固定部分研究，结果与Reynolds数相关。几年后，飞利浦等在文献13中，就一个密封装置的静环做了类似的实验。测量的努塞尔数接近Gazley 9 and Becker 11所得的相关数，从而验证了Nau 7 and Lebeck 1的建议。两数年之后，这些作者14进行了对其实验装置的传传递和流体流动的数值模拟。这种做法，与实验得出的结果非常一致，因而，作者可以获得更充分的沿浸润
7、表面的局部努塞尔t数。与此同时，Lebeck，Nygren，Shirazi的提出了关于机械密封及周腔热传递实验的和数值的结果16。他们强调，旋转环的努塞尔数和Becker的公式11非常吻合。所有提到的文献是针对湍流。当密封流体是一种高粘度矿物油，流动体是层状的，就像Luan and Khonsari在 17中所述。在他们的数值研究中，Luan和Khonsari只分析流体流动，尤其是密封中轴向冷却流和由角运动诱发的环泰勒流的相互作用。以往所有的研究针对端面机械密封热传递，没有研究者着手研究努塞尔数的相关性。此外，研究者用他们的研究结果与由均匀加热的旋转圆筒中流体的经验公式进行比较。这与端面机械密
8、封有着非常大的差别，端面机械密封的热源在密封面处。因此，努塞尔数还取决于在密封环的温度分布，这是一个关于材料性能的函数。此外，还没有学者对内压端面机械密封进行研究，这种密封液位于旋转轴和密封环之间的技术很没有广泛应用。目前研究的目标是对端面机械密封进行数值分析，并在较小程度上，进行试验分析。该实验实验性的密封设计的主要用途是通过红外温度测量接触验证数值模型3,4，因而它与工业中机械端面密封非常不同。更大的不同时，密封受内压和运用高粘度矿物油造成层流。此外，轴未通过封腔，导致类似转子-定子的流动18。数值仿真允许作者提出对于旋转和固定部位的雷诺数，努塞尔数是流体的雷诺功能数和普朗特数，以及流体与
9、材料导热系数比例三者的函数。几何参数的影响未进行分析。温度分布的数值和实验结果与努塞尔数一致。2.尺寸参数和操作配置2.1.实验装置图2.实验装置机械端面密封实验装置如图2，碳转子通过支持和锥形扩张固定在轴上。由萤石（氟化钙）制成的定子，固定在一个环形活塞上，确保相对于机架的有三个自由度。保证了转子偏心的动态跟踪。定子由作用在活塞顶面的压缩空气压向转子。密封组件的材料热特性列于表1。在控制压力和温度下，液压装置提供油。油是ISO VG 46，其特性列于表2。操作步骤和主要尺寸参数列于表3。2.2 背景在机械端面密封油流类似于静态盘和旋转盘及旋转侧壁之间的流体。Owen and Rogers 1
10、8建议采用以下雷诺数描述流体的特点： （1）由于存在质流比为的油，产生了流体叠加，我们用Owen and Rogers提出的无量纲流速比： (2)流量也是几何参数的函数，是一种间隙比： (3)本文的仿真中尺寸参数为常数，轴向间隙H = 12.2 mm，R = 34.5 mm，因此，G = 0.353。雷诺数从600到800之间变化。1960年，Daily and Neece 19用实验分析了封闭的旋转盘。他们考察了，随着间隙比G 和雷诺数Re的变化的四个不同的区域。根据他们的区域图，本文的密封装置位于II区，也就是说一个流层有两个分开的边界层，每个盘上有一个。表1.材料热特性热传导率k（W/m
11、 ）元件碳15转子不锈钢46轴、活塞、支撑体、膨胀体氟化钙9.7定子弹性体0.4密封件表2.流体特性密度 （Kg/m3）850比热 Cp（J/Kg）2000热导率k（W/m）0.14运动粘度（Pas）0.055 (35)表3.工作环境和主要尺寸角速度（rpm）300-1500流体压力（Pa）50000入口流体温度（）35质量流（kg/s）0.003-0.015转子内径R(m)0.0345转子外径R0（m）0.0385圆盘内径Ri（m）0.022轴向间隙H（m）0.0122圆盘厚度E（m）0.01第二层冷却流为油从旋转部分留到静止部分提供了通道。这类似于由离心力作用产生的流动。无量纲的流动率从1
12、.5变化到80。在流体的热传递是一个流动性的函数，从而取决于雷诺数，流率和间隙比。然而，热特性和力学性能之间存在差异，这种差异用普朗特数衡量： （4）特别地，这个数决定动量边界层与热边界层的比值20： （5）本文中油的的普朗特殊从330变化到1330，因而，边界层厚度的比值从18变化至36。在Owen and Rogers18书中描述的大多数情况下，力学问题和热问题是类似的，因为在旋转圆盘上的热源，同时又显然是动能源。本文中中，热源位于密封界面。因此，努塞尔数也取决于在密封环的温度分布，它是材料性能的函数。这里需要要介绍另一个无量纲参数： 或 （6）即流体的热导率与固体热导率的比值（定子用ks
13、和转子用kr）。无量纲数的变化范围列于表4。表4.无量纲数值变化范围雷诺数Re600-8000质量流Cw1.5-80差比G0.353普朗特数330-1330转子导电率k/kr0.0047-0.037定子导电率k/ks0.0072-0.0573.数值模型数值仿真用CFD来进行。假设所研究的目标问题是轴对称的。数值分析中的网格和边界条件示于图3。图3.数值模型结合圆周速度项和连续性方程，对二维轴对称Navier-Stokes方程，在流体域进行了求解。此外考虑了切向动量方程，用于描述速度的涡流。正如先前所说，流体流动是层流。由于压力值对本研究没有用处，引入进入流质量用在油进入的部分。使得沿入口部分有
14、相同的流速分布，它的大小相对于额定质量流来计算。出口部分引入出口量。从而所以流动变量为零分散且确保了整体的质量平衡。当流体充分流动的时候能够达到零分散，即考虑出口环形管的长度时，这是合理的假设（见图2）。另外，环形侧壁有一个角速度如图3。在全域，包括固体和液体。求解能量方程，由于油的粘度高，所以能量方程中考虑了油的损耗。流体进入密封腔温度均为35摄氏度。由于求解转子和定子接触处的润滑方程是不可能且不合理的，所以，密封界面产生的热量用热源来模拟。为此在旋转环和静止盘之间放入薄固体层，可见图3，该零件加入均匀分布的热源。要获得可靠的固体之间的热量分配，热源零件非常薄（0.2毫米），且具有较高的热导率（）。热源处的功率为，它是角速度的函数，为了模仿真实情况，函数由实验得到： 其中， (7)值得注意的是，消耗功率值对上述结果没有影响，因为入口处温度的升高及腔壁的热变化与热源值成比例。本文中为得到简单的数值模型，忽略了传递到周围空气的热量。实际中，空气的流动，需要大量的节点来准确估计。但是，用Becker系数来
