接触式高压气流密封接触点传热及流固耦合传热研究

本项目采用数值模拟方法研究了紧凑管束内流动特征，揭示了刷丝内部的流动现象，并通过单丝接触力数学模型的研究，建立了气动力下单丝接触力计算方法。此外，采用多孔介质模型研究了刷式密封在不同几何条件下的泄漏流动特征及抑制泄漏的原理，进而应用到实际百万超超临界汽轮机组高压平衡活塞处密封系统中，细致研究了刷式密封对泄漏流动的影响。最后，利用有限元方法对刷丝尖端的接触受力进行研究，结合多孔介质模型尝试建立刷式密封顶端摩擦热源的流动换热模型，得到密封周围的流动换热状况。 本项目建立了流动试验台，模拟刷丝排列方式下管束内流动特征。针对管束排列方式、管束直径比例关系以及管束间隙变化，细致研究了管束内流动特征：涡量分布、雷诺应力分布、流向和法向脉动速度以及全场速度分布曲线，旨在指导刷丝与气体交互作用下气动力的加载方式。此外，改造了密封-转子系统试验台，通过研究刷式密封-转子系统在高压气流作用下的系统稳定性特征及刷式密封-转子之间接触力，来指导刷式密封-转子系统接触力导致摩擦生热结果。 结论显示：随雷诺数的增加，管束两端压差呈幂函数增长。多孔介质模型分析泄漏流动结果说明，从接触式零间隙到大间隙结构下泄漏量不断增加。径向间隙从0增长到0.1mm时，泄漏量增加一个数量级。当间隙增加到0.3-0.4mm时，间隙处泄漏量占总泄漏量的75%-80%。此外，近下游挡板截面刷丝自由端附近的径向压力梯度最大，促使流体径向流动到间隙处泄漏。在某汽轮机组改造的研究中发现，单级刷封的安装位置对泄漏量的影响可以忽略，但刷封个数的增加，抑制泄漏效果凸显。三道刷式密封，可使泄漏量下降80%。摩擦生热研究显示，接触力随着干涉量的变化出现迟滞效应。高温区域在刷丝尖端，温度沿径向呈指数衰减。流动实验表明：通过时均涡量、雷诺应力分布，发现随夹角变化，尾迹脱落漩涡的尺度、上下剪切层应力强度的变化过程。在管束上下沿处存在稳定的小尺度结构。密封转子试验表明：当刷式密封与篦齿密封混合使用时，发现刷式密封通过与转子结构形成了转子的支撑刚度，从而降低了转子的稳定性。 研究成果：发表了4篇SCI、4篇EI（国际会议）和1篇中文核心期刊论文，参加了2次ASME国际会议，宣讲了4篇国际会议论文，参加了3次国内会议并宣读论文3篇，申请了3项专利、获批1项著作权登记软件，培养2名博士和3名硕士。目前提交了第2项著作权登记软件、在审4篇SCI论文。

本项目以刷式密封与转子交互作用下接触点传热及流固耦合传热动力学规律为研究目标，综合多种因素的（刷丝之间、刷丝与后挡板摩擦以及刷丝弯曲效应）影响，应用数值模拟手段，建立非线性接触力数学模型以及接触力作用下流固耦合传热模型。利用课题组在密封-转子系统流固耦合实验方面积累的丰富经验和先进密封技术研究的基础，建立了刷式密封-转子系统学实验平台完成流固热耦合数学模型的验证。本项目旨在提出接触密封理论模型和接触力选择准则，通过实验和数值手段研究刷式密封-转子系统流固耦合传热规律，建立及完善流固热耦合数学模型，能数值分析不同刷式密封与转子系统结构下，系统内刷式密封与转子接触力及摩擦生热等参数，为研究工质泄漏、转子稳定性以及部件疲劳寿命提供重要的手段。

流固耦合传热紧耦合

Stokos、Hooper、Kazemi-Kamyab等开发了将流体及固体内所有物理过程进行瞬态紧耦合算法，能使计算结果与实验结果高度吻合。但是，该瞬态紧耦合计算需要消耗大量的计算资源，难以用于解决实际复杂工程问题。

根据问题的特征，有些研究者近似认为在计算时间内，某些参数的状态是不变的，进而直接将瞬态问题转化为稳态问题。对于绝大多说不能通过准稳态处理直接转化为稳态问题的瞬态问题，有些研究者主张保留耦合的非稳态特性，提出各部分分别进行瞬态求解,并通过边界条件、参数值及活动网格等方式进行实时信息交互的瞬态松耦合传热问题的求解。如 Bauman 和Kazemi-Kamyab等针对高超声速流中固体表面带辐射及烧蚀相变过程的流固耦合强制对流传热问题，提出将流体 Navier-Stokes 方程与固体导热、辐射及烧蚀相变过程分别进行瞬态求解，并利用流体数值计算结果对其他求解方程的边界温度和热流加以修正，直至迭代收敛。Lohner 等针对飞机气弹分析中带固体形变的流固耦合传热问题，将流体 Navier-Stokes 方程及固体导热和应变方程分别求解，并利用流体数值计算结果对其他求解方程的边界温度和热流加以修正，同时利用固体应变方程的计算结果修正流体耦合边界位置和速度边界条件，直至迭代收敛。

流固耦合传热松耦合

有些研究者提出了基于准稳态流场的松耦合算法，即近似认为在整个流固耦合传热过程中，流场处于若干个准稳态，每一个准稳态的流场都使用稳态 Navier-Stokes 方程求解。如 Kontinos结合二维边界单元法和高超声速计算流体力学( CFD) 算法的松耦合算法，分析了高超声速流与机翼前缘的耦合传热问题。Chen 和Zhang等交替进行稳态流场计算与固体烧蚀和瞬态导热的松耦合算法计算了带烧蚀的流固耦合传热问题。2100433B

流固耦合传热计算 的关键是实现流体与固体边界上的热量传递。由能量守恒可知 ，在流固耦合的交界面 ，固体传出的热量应等于流体吸收的热量，因此 ，流固边界面上的热量传递过程可表示为

在求解流固耦合的瞬态温度场时，流体区域可按准稳态流场处理，即不考虑流场的动量和湍方程，则其控制方程式

固体区域控制方程以其基本导热方程表示为

流固交界面上不考虑发生的辐射、烧蚀相变等过程，则流固交界面上满足能量连续性条件，即温度和热流密度相等。具体控制方程式为

上述构成了流固耦合瞬态温度场控制方程，可以使用分区瞬态紧耦合算法进行求解。即在每个[t，t Δt]时间步长内，完成如下计算步骤：

1) 假定耦合边界上的温度分布，作为流体区域的边界条件。

2) 对其中流体区域进行稳态求解，得出耦合边界上的局部热流密度和温度梯度，作为固体区域的边界条件。

3) 求解固体区域，得出耦合边界上新的温度分布，作为流体区域的边界条件。

4) 重复 2) 、3) 两步计算，直到收敛。

对于某些流体与固体之间的对流换热问题 ，热边界条件无法预先给定，而是受到流体与壁面之间相互作用的制约。这时无论界面上的温度还是热流密度都应看成是计算结果的一 部分，而不是 已知条件。像这类热边界条

件是由热量交换过程动态地加 以决定而不能预先规定的问题 ，称为流固耦合传热问题。

用流固耦合传热方法可以将流体与固体之间复杂的外边界条件变成相对简单的内边界进行处理，不但减少了边界条件，又符合实际状态 从而提高了仿真的合理性和精度 。