反應(yīng)釜端面密封間隙內(nèi)流動的特性分析

崔文廣（蘭州石化公司 甘肅蘭州 730000）

前言

石油化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，特別是高壓反應(yīng)釜中常用的端面密封裝置，其原理是利用高速旋轉(zhuǎn)的動環(huán)和靜環(huán)之間產(chǎn)生的流體動壓來分離動、靜環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)了端面的非接觸性密封。在運(yùn)行過程中，因動、靜環(huán)產(chǎn)生的機(jī)械變形和摩擦產(chǎn)生的熱變形，引起端面密封介質(zhì)的泄漏，造成環(huán)境污染。密封裝置的特性直接受泄漏量大小的影響，在石油化工行業(yè)要求無污染、無泄漏，特別是對易燃、易爆、高溫、高壓、有毒和腐蝕的介質(zhì)，尤其嚴(yán)格。為此對端面密封的泄漏問題備受關(guān)注。在這方面國內(nèi)外學(xué)者做了大量工作，如文獻(xiàn)所示：[1]對機(jī)械密封流場和熱行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。[2]利用fluid軟件對機(jī)械密封腔內(nèi)流場和溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬；[3]用CFD軟件對一元流動進(jìn)行了數(shù)值模擬；[4]提出機(jī)械密封的動態(tài)特性參數(shù)的表達(dá)式和計(jì)算方法。本文用有限元軟件ANSYS對端面密封的壓力場和速度場進(jìn)行了研究分析，計(jì)算了泄露量。通過現(xiàn)場考證，對反應(yīng)釜端面密封的設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程操作具有現(xiàn)實(shí)意義。

一、端面密封間隙流動的邊界問題

1.最優(yōu)微分方程式的控制

由于動靜環(huán)之間（即端面間隙）發(fā)生的變形屬于楔形間隙，分析得知：可假設(shè)層間流體流動的控制方程是在以下幾點(diǎn)的基礎(chǔ)上建立的

（1）動靜環(huán)之間的流動為層流；

（2）符合牛頓粘性定律，所以屬于牛頓流體；

（3）據(jù)壓力和粘性力相比，流體的慣性力可忽略不計(jì)；

（5）流動過程假定穩(wěn)態(tài)。

根據(jù)上述假定可以得出楔形間隙中流體流動的二維方程：

2.計(jì)算楔形間隙中的泄漏量

參閱文獻(xiàn)[5]，根據(jù)（2）式計(jì)算得：Q=v A（2）

式中:A——楔形出口的橫截面積

v——楔形出口端流體的速度

二、求解邊值的數(shù)值

1.劃分網(wǎng)格，根據(jù)假定條件建立模型，

用大型軟件ANSYS處理程序PREP7,選擇單元類型，確定層間流體參數(shù)，建立楔形間隙流動場的有限元模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用2D.fluid141單元類型自下向上建立模型，節(jié)點(diǎn)共有368點(diǎn)和270個單元。因?qū)娱g液膜厚度極薄，為了清楚描述建模，將楔形膜厚擴(kuò)大12倍。得到圖1所示有限元網(wǎng)格模型圖：

圖1: 有限元網(wǎng)格模型圖

2.設(shè)定載荷并求解

通過分析選項(xiàng)、定義類型、加載數(shù)據(jù)和加載步選項(xiàng)，最后進(jìn)行有限元求解。當(dāng)全部添加了載荷數(shù)據(jù)后利用有限元軟件自動求解，將所得速度、壓力等結(jié)果存入文件中并做后處理。

4.處理結(jié)果

通過圖形界面得到計(jì)算結(jié)果，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算包括速度和壓力等,輸出形式有兩種，即數(shù)據(jù)列表和圖形顯示。處理數(shù)據(jù)的方法是：通過后處理器POST1復(fù)查整個模型的某一部分特定數(shù)據(jù)集的結(jié)果；時(shí)間歷程后處理器POST28,可跨多個數(shù)據(jù)集復(fù)查選擇的部分模型數(shù)據(jù)。因本文計(jì)算分析是層流穩(wěn)態(tài)流場，因此可采用后處理器POST1復(fù)查整個模型的某一部分中任意一個特定數(shù)據(jù)集的后處理方法。

三、案例計(jì)算分析

端面楔形液膜長L=6mm,寬度b=0.02mm,B=0.05mm,試驗(yàn)介質(zhì)為常溫水，設(shè)定粘度為0.001Pa.s，密度1000kg/m3,設(shè)端面楔形進(jìn)口壓強(qiáng)為0.2MPa,出口壓強(qiáng)0.1 MPa。

1.計(jì)算分析壓力場

用ANSYS求解過程中，加壓力載荷，采用后處理器post1。即可獲得各節(jié)點(diǎn)的壓力分布圖，如圖2所示，單位為MPa。

圖2: 壓力分布圖

從圖得知：壓力的變化隨液膜沿楔形長度方向減小，呈不規(guī)則分布，出口最小，進(jìn)口最大，沿橫截面壓力分布比較規(guī)則。

2.計(jì)算分析速度場

節(jié)點(diǎn)的速度數(shù)據(jù)是本案例的基本計(jì)算數(shù)據(jù)。因過程分析屬于穩(wěn)態(tài)的速度場，所以后處理可用POST1進(jìn)行。由此可得到速度矢量圖，如圖3所示。X向速度場分布圖4和Y向速度場分布圖5，速度單位m/s。

圖3: 速度矢量圖

圖4: X-向速度場分布云圖

圖5: Y-向速度場分布云圖

從圖得知：速度的變化隨液膜沿楔形長度方向不規(guī)則分布，在出口處和進(jìn)口處都有Y向最小和最大的速度值，速度最大值在出口X方向呈非線性分布，中間部分速度變化較平穩(wěn)，在出進(jìn)口處速度變化較大。

3.計(jì)算泄漏量

據(jù)公式（2）Q＝v A，將出口液體的速度和出口端面的橫截面積代入可得如下數(shù)據(jù)：Q=0.000404ml/min,

通過分析比較與實(shí)際運(yùn)行過程中的測量結(jié)果基本相同。

結(jié)論

分析釜式反應(yīng)器端面楔形密封面間隙內(nèi)的流場變化，且難以觀察的楔形層流間的場內(nèi)變化，可利用大型有限元軟件ANSYS8.0進(jìn)行數(shù)值模擬，并可實(shí)現(xiàn)計(jì)算過程的可視化，從而可得速度場和壓力場云圖。云圖上可清楚看出壓力和速度的分布情況，為研究設(shè)計(jì)減少端面密封楔形間隙的泄漏量提供了理論依據(jù)。對確保系統(tǒng)的長期運(yùn)轉(zhuǎn)，特別是高壓釜式反應(yīng)器端面密封的可靠性具有現(xiàn)實(shí)意義。

從楔形間隙泄漏量的計(jì)算結(jié)果看，影響泄漏量的關(guān)鍵因素速度和變形量。所以在設(shè)計(jì)釜式反應(yīng)器端面密封和系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)操作過程中，要盡可能控制變形量，已達(dá)到最終控制泄漏量的目的。

[1]蔣小文，顧伯勤。收斂楔形間隙中流體流動的數(shù)值模擬[J].潤滑與密封，2004。3（163）：47－49.

[2]徐華，朱均。螺旋槽式液體機(jī)械密封的動力學(xué)性能分析[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，38（5）：474－479.

[3]鐘汝林，陳次昌，關(guān)劍峰。機(jī)械密封環(huán)溫度場及密封腔內(nèi)流場分析[J],四川工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)：2004,0185（03）：185－187.

[4]Parviz Merati，Nori Aki Okita，Robert L Phillips，Larry EJa?cobs.Experimental and computational investigation of flow and ther?mal behavior of a mechanical seal.Park Ridge，oct.1999.Vol.42（4）：731-739.

[5]顧永泉.流體動密封[M].北京:中國石化出版社，1992.