摘要：利用FLUENT强大的模拟功能，对机械密封腔内的流场和温度场进行数值模拟。该方法将整个流场用网格进行划分，利用能量方程、连续性方程对流场进行数值计算，并将计算结果用不同的颜色区分开，把温度、压力的分布，以及压力和速度的大小、矢量方向绘制成三维视图，更直观、简便地显示出来，分析了在密封运转稳定状态下，机械密封环温度场及密封腔内流场的温度、压力分布。
关键词：机械密封；温度场；流场；计算分析
机械密封正常工作时，由于密封端面相互贴合并相对转动，端面摩擦产生的热量会使密封环特别是密封面温度升高，使机械密封环内产生较大的温度梯度，从而带来很多问题。为保证机械密封长期稳定可靠地工作，必须首先掌握密封运转过程中整个密封腔内各部分的温度、压强变化及其分布，然后才能对其温升采取有效的控制措施。密封工作者们对密封环温度场的研究大多选用数值解析法、经验法和实测法等进行计算。例如，李克水、李红[4]等采用解析法计算了密封环内的温度分布；陈文毅、法金元[5]等利用有限元法计算了密封环的温度场等。他们在密封环温度场的计算过程中，假定摩擦热是均匀分布的，这就给计算结果带来了误差，且计算结果的通用性和直观性较差。
采用FLUENT软件对密封环的温度场、密封腔内流体的温度场进行建模、计算和分析，克服了上述缺点，FLUENT的三维立体视图可从各个方向观察各平面、截面的运行情况，使计算结果的直观性更好。本文主要对计算模块进行讨论。
1 计算模型
1.1 计算区域及几何模型的建立
要计算的区域主要是图1中的密封介质部分。为简化模型的计算，只用在GAMBIT软件中绘制出密封腔内密封环及其周围介质部分的三维几何模型，并把各部分网格化生成网格文件（如图2所示）。检测成功后的网格模型，根据密封测试要求进行边界条件的设置，再导入FLUENT中准备进行计算。此时，整个密封腔中的流体以及动、静环的几何模型绘制完成。
1.2 机械密封环温度场的计算假设
（1）机械密封环温度场分布是轴对称的；
（2）机械密封环温度场在正常工作时是稳态的，忽略因辐射损失的热量；
（3）摩擦热全部由密封环导出，密封面上的热流密度在每个单元面上是均匀分布的；
（4）不计密封搅拌热的影响及泄漏液体所带走的热量；
（5）认为介质温度恒定，密封环材料的热物理性能也是恒定的。
图1 密封腔体
图2 流体场及动、静环的网格划分
1.3 计算方程
本文主要是对密封的热流量、边界温度、对流情况进行综合分析处理。将导入FLUENT的几何网格模型分别进行计算模型、边界条件、材料物理属性、运行条件等设置。在分析场内流体流动情况后，以三维雷诺平均N-S方程作控制方程，选用现实的
湍流模型及SIMPLE算法，对流体进行计算。FLUENT根据边界条件和传热位置选择能量公式：
其中：
为有效导热率；
为扩散流量；等式右边前三项分别为传导、耗散、粘性耗散的能量传递；
为化学反应热量及所有定义的体积热源的热量。
2 机械密封的热量平衡
机械密封的摩擦端面不仅因不同状态的摩擦产生摩擦热，且旋转元件与介质、冲洗流体因搅拌也会生成搅拌热，此外介质的工作温度不同，也带有一定的介质热。这些热量都会使端面温度升高。密封端面温度过高会导致密封工作不正常，例如：端面间膜汽化造成液膜失稳；密封面热裂或热变形造成密封失效；温度升高促使磨损和腐蚀加剧。因此，确定机械密封的端面温度非常重要。
一般来讲，通过机械密封的热平衡和简化假设，可近似计算密封端面的平均温升。机械密封的热量平衡方程为：
（1）其中：
为静环和动环端面摩擦热；为旋转元件在密封介质中的搅拌热；
为辅助元件的振动和摩擦产生的热量；
为冲洗液或密封介质带来的热量和外围传入的热量，通过摩擦副传给周围；
为旋转元件本身吸收的热量；
为由摩擦副传给周围介质的热量；
为通过传动轴再散除的热量；
是泄漏流体带走的热量；为冲洗液或密封介质带走的热量和外围传出的热量。
本计算主要研究由动环和静环端面摩擦所产生的热量在密封副端面及内部的热传递情况，故可忽略；并认为该密封为无泄漏密封，；在正常运转条件下可以忽略辅助元件的振动和摩擦热，
；对于液体端面密封，由于空气的给热系数低，散热量和较小，故可忽略不计；假设冲洗液或密封介质带来的热量和外围传入的热量等于传出的热量，即
；传热过程中就只考虑传给密封的热量。式（1）可以简化为：
由经验公式可计算出端面摩擦热。
Q=120πnPSfd1/2×103 J/h
其中：P为端面比压，N/mm2；S为端面面积，mm2；d1为摩擦面中径，mm；n为转速，r/m。
3 密封温度场的计算与结果分析
动、静环材料分别选用KC673和YG6，其导热系数分别为λ1=10 W/m·k，λ2=95 W/m·k，对流传热系数α=5700 W/m2·k，通入的密封介质温度T=20℃，压力P=0.6 MPa。
为计算方便，把摩擦发热的端面及两密封环中间的液膜假设为一个有恒定发热量的热源，把由摩擦生热产生的热传递过程转化为由一个固定热源对两个密封环进行热传递的过程。这样一来，计算也由一个复杂的耦合问题转化成了一个关于流场中热源传热的离散模型计算，大大降低了计算时间。从图3中可以看出，模型流体x、y、z三个方向上的速度值、能量方程、连续性方程均满足要求，达到计算精度而收敛。
图3 迭代计算收敛残差图
此时，FLUENT软件强大的后处理工具（如Display、Plot、Report、Parallel等模块）便可根据计算得到的数据，自动绘制出流场内各部分的温度、压力分布，及压力和速度的大小、矢量方向的三维视图，并用不同的颜色区分出来，同时得到相关数据。从分布图中可以清楚地看到动、静环端面上温度分布及整个流场的压力温度分布情况（图4、图5、图6、图7）。图8为切割线1（在y=0的平面上从密封环端面中点处经过的一条平行于转轴的切割线）上动环和静环的温度变化图。
由图4~图7可看出，当介质温度为20 ℃、压力为0.6 MPa时，密封腔内压强平均值约为0.62 MPa，在进出口处的变化较为明显，总体上讲腔内压力变化的梯度不是太大；在动环端面上温度最高处约为58 ℃，较低处为40 ℃，环内温度随轴向尺寸的增加而增加；在静环端面上最高温度约为50 ℃，较低处达到37 ℃，总体上来说与动环端面上温度相差不大，环内温度随轴向尺寸的增加而减小；在靠近端面处的轴向温度梯度较大，而在远离端面的轴向温度梯度较小。图6中在轴向尺寸约为183 ~184 mm处温度变化不连贯，出现温度突变，主要是因为此处为热源所在处，其温度高于密封环温度。图8中密封环内部温度（单位：℃）从左到右依次为：22、24、26、29、31.3、33.5、35.8、38.4、40.3、42.56、44.8、47、49.32、51.6、53.83、56.1、58.35、60.6、62.86、60.6、58.3、56.09、53.8、51.58、49.32、47、44.8、42.56、40.3、38、35.8、33.6、31.3、26。
4 结论
利用FLUENT软件，对机械密封环及密封腔内的流场进行分析，对难以观察的流场内变化进行了数值模拟，实现了可视化计算。详细分析了密封腔内流体流动状况及密封环的温度压力分布状况。但实验测试始终只能是对某些点或很小一片区域进行检测所得的结果，因此，用此软件分析的准确性还有待运用更新、更好的检测技术进行验证。
图4 y＝0平面上温度分布图
图5 y＝0平面上压力分布图
图6 动环温度分布图
图7 静环温度分布图
图8 密封环等温线
