[发明专利]一种基于仿生的迷宫密封流-固-热多场分析及承载隔热性能表征方法

说明书

本发明公开了一种基于仿生的迷宫密封流‑固‑热多场分析及承载隔热性能表征方法，具体涉及工程仿生学领域。该方法通过提取外壳结构及材料性能参数，简化外壳结构建立仿生原型结构；利用ANSYS仿真软件，结合仿生原型结构，建立迷宫密封流‑固‑热多场分析模型，计算迷宫密封流‑固‑热多场分析模型中间隙环流的流场结果；通过将间隙环流的流场结果传递至定子表面，固定定子两端，计算定子的温度场、应力场和变形量，表征仿生原型结构的承载和隔热性能；再改变仿生原型结构中各材料层的排列顺序和层厚度比，模拟验证仿生原型结构应用于迷宫密封结构在承载和隔热性能上的优越性。本发明将仿生研究与工程实例相结合，为工程设计提供了有效参考。

技术领域

本发明涉及工程仿生学领域，具体涉及一种基于仿生的迷宫密封流-固-热多场分析及承载隔热性能表征方法。

背景技术

旋转机械转子与定子间的密封结构作为汽轮机、泵和压缩机等透平机械的重要组成部件，随着透平机械工作环境向高温、高转速、高压力方向的发展，密封结构的流体介质泄漏愈加严重。

为防止密封流体向外泄露，将迷宫密封应用于透平机械中。在高温和高转速环境下，迷宫密封间隙环流中的湍流增加了机械定子与转子壁面之间的摩擦阻力，产生热量造成间隙环流温度升高。同时，由于机械运转中的密封结构内部温度上升，迷宫密封与泄漏流间存在强烈的换热，设计过程中若忽视迷宫密封的传热特性，使得间隙环流将热量快速扩散至密封结构外壳，这对密封结构是非常不利的。

因此，需要针对迷宫密封进行流-固-热多场分析并对其承载隔热性能进行表征，使得迷宫密封结构同时满足承载和隔热性能的要求。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，提出了一种基于仿生的迷宫密封流-固-热多场分析及承载隔热性能表征方法。

本发明具体采用如下技术方案：

一种基于仿生的迷宫密封流-固-热多场分析及承载隔热性能表征方法，具体包括以下步骤：

步骤1，根据蜗牛外壳中各层状结构的材料性能参数，简化蜗牛外壳的层状结构，基于简化后的蜗牛外壳建立仿生原型结构，确定仿生原型结构中层状结构的材料排布及材料性能参数；

步骤2，利用ANSYS仿真软件，建立由间隙环流、定子和转子组成的迷宫密封流-固-热多场分析模型，根据仿生原型结构设计定子表面，并对迷宫密封流-固-热多场分析模型进行网格划分；

步骤3，设置迷宫密封流-固-热多场分析模型中间隙环流的边界条件以及转子的转速大小，间隙环流边界条件包括间隙环流入口、间隙环流出口以及流固耦合面的边界条件，利用ANSYS软件模拟，计算迷宫密封流-固-热多场分析模型中间隙环流的流场结果，包括压力场和温度场；

步骤4，将间隙环流模型流场结果经流固耦合面传递至定子表面，固定定子两端，利用ANSYS软件模拟，结合定子自重，计算定子的温度场、应力场以及变形量，表征仿生原型结构的承载性能和隔热性能；

步骤5，改变仿生原型结构的层状结构排列顺序，确定修改后的仿生结构，根据该仿生结构设置迷宫密封流-固-热多场分析模型的定子表面，利用ANSYS软件模拟，结合定子自重，计算定子的温度场、应力场以及变形量，表征改变层状结构排列顺序后仿生结构的承载性能和隔热性能；

步骤6，改变仿生原型结构的层厚度比，确定修改后的仿生结构，根据该仿生结构设置迷宫密封流-固-热多场分析模型的定子表面，利用ANSYS软件模拟，结合定子自重，计算定子的温度场、应力场以及变形量，表征改变层厚度比后仿生结构的承载性能和隔热性能；

步骤7：对比步骤4、步骤5和步骤6中确定的承载性能和隔热性能表征结果，验证仿生原型结构的优越性。

优选地，所述步骤1中，材料性能参数包括厚度、密度、导热系数、比热、热膨胀系数和弹性模量。