密封实现零泄漏！上游泵送机械密封微间隙流场CFD仿真

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导读：大家好，我是仿真秀专栏作者——仿真助手，长期从事CFD和CAE仿真分析工作。自2019年认证平台讲师，在仿真秀陆续推出60多套CFD仿真step教程，涵盖内容有地埋管换热仿真、CFD密封仿真、滑动轴承油膜流场仿真、管道天然气泄漏仿真、建筑室内风环境仿真、搅拌器仿真和钢仿真等，欢迎读者留言讨论和进一步技术交流。

一、写在文前

自 20 世纪 70 年代美国约翰·克兰公司开发出螺旋槽气体端面密封以来，非接触密封发展十分迅速，并出现了用于液体的上游泵送机械密封。所谓 “上游泵送”就是通过密封端面上开设的一定形状的泵送槽，将密封低压侧缓冲液体或少量的泄漏液体泵送向高压侧，各类泵送槽中以螺旋槽最为典型。当这种密封运转时，除产生泵送效应外，还会增大密封间隙内部液体静压力，使动静密封环分离并在密封面间形成一层很薄的液膜。同时，由于泵送槽产生的剪切流抵抗压差流，当剪切流与压差流相等时，密封实现零泄漏。

上游泵送机械密封由于密封面间形成了液体膜，改善端面间润滑磨损状态，与普通的接触式机械密封相比，具有介质泄漏量少、端面磨损小、能耗低、运行寿命长以及维护费用大大降低等优点，从而可广泛适用于泵、压缩机、反应釜等各种旋转机械的轴封。

密封端面微间隙液膜特性与螺旋槽几何造型有密切的关系，研究内流特性是根据密封和润滑减磨性能要求构造与之优化匹配的端面几何造型的关键基础，也是目前动压型机械密封润滑减磨理论研究的热点和趋势。

二、仿真模型和工况

上图中，长方形织构深度50μm，圆形/三角形织构深度150μm，液膜厚度10μm，介质为水，转速为，内径处压力和外径处压力均为1标准大气压。拟通过仿真拟得到压力分布云图、承载力、液膜刚度（力/厚度）。

参考文献：《基于Fluent的螺旋槽上游泵送机械密封三维微间隙流场数值模拟_陈汇龙》和《高速齿轮箱用机械密封试验研究_刘杰》

三、网格情况

整体扫掠网格。本例仅演示过程，网格较稀。

四、仿真设置

稳态计算，不考虑重力。

层流模型。

介质：水。

转速1000RPM，对Z轴顺时针旋转。

入口和出口均为压力条件，压力均为1个大气压。

交界面使用匹配类型。

使用SIMPLEC算法，压力和动量均使用二阶迎风格式。

五、基本结果

4.1 圆形槽结果

液膜刚度=力/膜厚。

六、上游泵送机械密封微间隙流场仿真教程

以上内容，收录在我的视频课程《219/410-织构化端面机械密封仿真有声解说教程Wb-SCDM-AM/ICEM-FLEUNT》欢迎读者朋友试看。本课程包含两个案例：《上游泵送机械密封微间隙流场仿真》和《微孔织构化端面机械密封仿真视频》。此外本课程使用软件及版本Workbench2021R2-SCDM-Ansys Mesh-FLUENT。