[发明专利]一种迷宫密封三维小间隙紊流流场求解方法

说明书

本发明公开了一种迷宫密封三维小间隙紊流流场求解方法，具体涉及三维紊流流场计算领域。该方法根据实际迷宫密封结构，利用MATLAB软件建立迷宫密封模型并置于三维坐标系中，通过对间隙流体流速及压力进行径向平均化处理，基于整体流动理论，确定间隙流体的流体连续方程，建立间隙流体三控制体模型，分别确定各控制体内间隙流体的流体控制方程组，再结合转轴偏心涡动情况，基于摄动法将各控制体流体控制方程组分解为由零阶同心涡动方程和一阶偏心涡动方程组成的方程组，求解后得到各控制体沿转轴周向的零阶速度场和一阶速度场，确定环形密封模型间隙流体速度场。本发明大幅度降低了三维紊流的流体控制方程组求解难度，为复杂流场的求解提供了理论依据。

技术领域

本发明涉及三维紊流流场计算领域，具体涉及一种迷宫密封三维小间隙紊流流场求解方法。

背景技术

密封系统广泛应用于燃气轮机、泵及压缩机等透平机械中，间隙环流常用于密封系统中，传动轴贯穿于设备内外与设备间存在间隙，导致设备中的介质通过该间隙向外泄露，现阶段多采用迷宫密封防止设备内部介质泄露。

迷宫密封间隙环流受压差驱使由出口向入口流动，间隙环流在迷宫密封结构内连续流动，迷宫密封间隙内的流体流入膨胀腔体内形成涡流，其压力能、动能和内能之间相互转换，在迷宫密封小间隙内形成三维紊流，三维紊流流场及其复杂，导致其求解非常困难，因此，亟需根据密封间隙内三维紊流的特点，提供一种迷宫密封间隙三维紊流流场的求解方法，用于求解迷宫密封空间内的三维紊流流场。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，提出了一种迷宫密封三维小间隙紊流流场求解方法，该方法降低了迷宫密封结构内三维紊流流场的求解难度，克服了现有技术无法求解迷宫密封间隙环流流场的不足，实现了对复杂三维紊流流场的求解。

本发明具体采用如下技术方案：

一种迷宫密封三维小间隙紊流流场求解方法，具体包括以下步骤：

步骤1，根据实际迷宫密封结构，利用MATLAB软件，建立由迷宫密封圈、转轴和间隙流体组成的迷宫密封模型，迷宫密封圈上设置有槽体，设置迷宫密封模型的结构参数及边界条件，并以迷宫密封圈间隙流体入口处转轴轴心为坐标原点建立三维直角坐标系，三维直角坐标系x轴方向为转轴径向、z轴方向为转轴轴向；

步骤2，在三维直角坐标系中，对迷宫密封模型间隙流体的流速和压力进行径向平均化处理，计算公式如下所示：

式中，表示间隙流体沿y轴的流速，表示间隙流体沿x轴的流速，表示间隙流体沿z轴的流速，表示间隙流体的流体压力；H表示转轴壁面到环形密封圈内壁的距离；U表示径向平均化后间隙流体沿y轴的流速，V表示径向平均化后间隙流体沿x轴的流速，W表示径向平均化后间隙流体沿z轴的流速，P表示径向平均化后间隙流体的流体压力；

基于整体流动理论，结合径向平均化后间隙流体的流速和压力，确定迷宫密封模型内间隙流体的流体连续方程，如式(2)所示：

式中，t表示时间，ρ表示间隙流体的密度；

根据间隙流体的流体连续方程，分别得到间隙流体沿z轴和y轴的动量方程，间隙流体沿z轴的动量方程，如式(3)所示：

式中，表示转轴表面沿z轴的剪切应力；

间隙流体沿y轴的动量方程，如式(4)所示：

式中，表示转轴表面沿y轴的剪切应力；

基于间隙流体的流体连续方程，利用迷宫密封模型模拟间隙流体的流动情况，确定迷宫密封模型不同位置处间隙流体的流体属性；