流體密封的理論基礎(chǔ)第一頁，共十六頁，2022年，8月28日2MainContent§2-1密封流體力學(xué)§2-2密封摩擦學(xué)§2-3研究課題介紹第二頁，共十六頁，2022年，8月28日3§2-1密封流體力學(xué)一.流動狀態(tài)1.層流與紊流

雷諾數(shù)就是表征流體流動特性的一個(gè)重要參數(shù)，表示的為流體流動的慣性力和粘性力之比。如果粗糙面較為粗糙，特別當(dāng)密封面開槽時(shí)，在雷諾數(shù)小于臨界雷諾數(shù)500-1000時(shí)，流動很快變成紊流。對于雷諾數(shù)作如下估計(jì)：對軸徑的要求，取其上限值120mm，密度1.0㎏/m3，粘度1.86×10-5Pa·s，間隙3μm，當(dāng)轉(zhuǎn)速分別為10000r/min和100000r/min時(shí)，相應(yīng)的雷諾數(shù)分別為10和100。所以氣體的流動為層流，可忽略慣性力的影響。

第三頁，共十六頁，2022年，8月28日4一.流動狀態(tài)

2.分子流與粘性流由于在螺旋槽干氣密封摩擦副之間的氣體潤滑膜相當(dāng)薄，只有微米級，因此在研究氣膜的流動特性時(shí)，需要判別其是否符合連續(xù)介質(zhì)假設(shè)條件。為此，引入一個(gè)確定連續(xù)介質(zhì)假設(shè)適用范圍的判據(jù)。此判據(jù)就是克努森準(zhǔn)則（Knuden）?？伺瓬?zhǔn)則的定義是：氣體分子平均自由程與所研究問題中物體的特征尺寸之比，即:Kn=l/h

當(dāng)Kn＜0.01時(shí)，流動為粘性流；當(dāng)Kn＞1時(shí)，流動為分子流；當(dāng)0.01＜Kn＜1時(shí)，氣體流動處于過渡流區(qū)域

。空氣的平均自由程為0.069μm,氣膜厚度通常為3～5μm,因而空氣在干氣密封流動為過渡流。第四頁，共十六頁，2022年，8月28日5二.流動方程1.連續(xù)性方程

穩(wěn)態(tài)2.N-S方程的一般式：直角坐標(biāo)系簡化N-S方程：

第五頁，共十六頁，2022年，8月28日6二.流動方程3.直角坐標(biāo)系瞬態(tài)雷諾方程

無量綱柱坐標(biāo)瞬態(tài)雷諾方程

無量綱柱坐標(biāo)穩(wěn)態(tài)雷諾方程第六頁，共十六頁，2022年，8月28日7二.流動方程4.RNG湍流模型第七頁，共十六頁，2022年，8月28日8三.方程求解1.專業(yè)軟件計(jì)算法（CFD）

CFD數(shù)值模擬實(shí)質(zhì)是把描述流體運(yùn)動的連續(xù)介質(zhì)數(shù)學(xué)模型離散為大型代數(shù)方程組，建立可以在計(jì)算機(jī)上求解的算法，從而獲得問題所需的解。主要的數(shù)值方法有：有限差分法、有限元法和邊界元法，近年來有限體積法亦成為一種被廣泛采用的數(shù)值方法。求解思路：確定流動模型：層流或湍流；選擇計(jì)算模型和確定邊界條件；建立幾何模型劃分網(wǎng)格；選擇求解方法；輸出結(jié)果處理與分析。第八頁，共十六頁，2022年，8月28日9三.方程求解2.C語言編程計(jì)算法

求解思路：建立流體動力學(xué)模型；建立流動數(shù)學(xué)模型（控制方程和邊界條件）；利用差分法或有限元法將偏微分方程化為線性方程組；確定編程計(jì)算流程框圖；依據(jù)流程框圖利用C語言編程計(jì)算；輸出結(jié)果處理與分析。第九頁，共十六頁，2022年，8月28日10三.方程求解3.近似解析法求解思路:建立非線性偏微分雷諾方程；應(yīng)用PH線性化方法，將非線性偏微分雷諾方程轉(zhuǎn)化為線性偏微分方程；引入復(fù)函數(shù)分離變量將線性偏微分方程變?yōu)閮蓚€(gè)線性實(shí)常數(shù)微分方程組；采用小參數(shù)迭代法求解線性實(shí)常數(shù)微分方程；近似求得螺旋槽內(nèi)氣體動壓分布的解析解。第十頁，共十六頁，2022年，8月28日1111§2-2密封摩擦學(xué)一.摩擦狀態(tài)和機(jī)理第十一頁，共十六頁，2022年，8月28日121212一.摩擦狀態(tài)和機(jī)理邊界摩擦狀態(tài)時(shí)摩擦力主要由固體摩擦力和邊界膜摩擦力兩部分組成；混合摩擦狀態(tài)時(shí)摩擦力由固體摩擦力、邊界膜摩擦力和流體內(nèi)摩擦力三部分組成；流體摩擦狀態(tài)時(shí)摩擦力主要是流體內(nèi)摩擦力。流體摩擦力<邊界摩擦力<固體摩擦力;摩擦系數(shù)有：f流<f混<f邊;磨損量有：δ流<δ混<δ邊。第十二頁，共十六頁，2022年，8月28日1313

二.流體動壓潤滑理論流體動壓潤滑又叫做流體動力潤滑，它是利用流體的粘附性使流體粘附在摩擦表面，并在摩擦副做相對運(yùn)動時(shí)帶入兩摩擦表面之間，當(dāng)兩表面形成收斂的楔形間隙時(shí)，會產(chǎn)生一定的流體動壓力，從而將兩摩擦表面分隔開來，保持兩摩擦表面非接觸，達(dá)到降低摩擦阻力、減少表面磨損的目的。產(chǎn)生流體動壓效應(yīng)的類型(1)密封面由于局部壓力及熱變形產(chǎn)生楔效應(yīng)，從而產(chǎn)生流體動壓力；(2)密封面加工成各種形狀淺流槽（如矩形槽、圓弧槽、螺旋槽和人字槽等）而產(chǎn)生流體動壓力；(3)由對中誤差或角度誤差而產(chǎn)生流體動壓力；(4)由密封面的微觀表面粗糙度而產(chǎn)生流體動壓力。第十三頁，共十六頁，2022年，8月28日14二.流體動壓潤滑理論產(chǎn)生流體動壓效應(yīng)的密封面流槽形狀(a)矩形槽；(b)外圓弧槽；(c)內(nèi)圓弧槽(d)外螺旋槽；(e)內(nèi)螺旋槽；(f)人字槽第十四頁，共十六頁，2022年，8月28日15三.混合摩擦彈性流體動力潤滑理論流體修正雷諾二維控制方程

液膜的幾何模型

粘度方程

密度方程彈性接觸力模型軸向平衡力方程第十五頁，共十六頁，2022