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学科代码 080706 编 号 硕士学位论文开题报告 学 号： 112080706012 研 究 生： 刘 勇 导 师： 丁 雪 兴 研究方向： 流体动密封 论文题目： 基于速度滑移和温度阶跃的螺旋槽干气密封微尺度气膜流场研究 学 科： 化工过程机械 学 院： 石油化工学院 入学时间： 2011年9月 开题时间： 2012年12月26日 2012年 12月 26日 填 报 说 明 一、开题报告中的一至七项必须采用计算机输入和打印，开题报告格式可在研究生部网址/Article/ShowArticle.asp?ArticleID=1695下载。 二、开题报告为A4大小，于左侧装订成册。各栏空格不够时，请自行加页。 三、开题答辩成绩（即每个学生开题报告评审表的平均成绩）由学院研究生专干填写，学院负责人签署是否同意开题的意见。 五、开题报告通过后，分别由研究生、导师、学院和研究生学院各存档一份。 学位论文题目 基于速度滑移和温度阶跃的螺旋槽干气密封微尺度气膜流场研究 课 题 来 源 国家自然科学资助项目1．1.1密封在石油化工设备技术中的重要性 目前，国内石油化工行业普遍使用离心式压缩机来输送各类工艺气体，这些气体大多具有易燃、易爆、有毒的特性。为了防止或限制这些工艺气体沿压缩机旋转轴端部泄露到大气中，须采用各种有效的轴端密封装置。近年来，随着密封技术的不断发展和完善，出现了一种称之为干式气体密封[1]（Dry Running Gas Seal）1.2螺旋槽干气密封的结构、工作原理、特点及应用 干气密封的结构如图1所示：主要由加载弹簧、O形圈、静环及动环组成。静环和加载弹簧被安装在静环座中，并依靠O形圈进行二次密封。静环在弹簧等载荷的作用下，可沿轴向自由移动。动环依靠轴套固定在旋转轴上并随轴旋转。螺旋槽干气密封特别之处是在动环表面加工出一系列螺旋状沟槽，深度一般为2.5～10μm2）。 图1 螺旋槽干气密封结构 图2 密封动环螺旋槽结构 缓冲气体注入到密封装置，当动环旋转时将被密封气体周向吸入（泵吸作用）槽内，气体沿槽向槽根部运动，由于受到密封堰的阻碍，气体作减速流动并被逐渐压缩（图3）。在此过程中，气体的压力升高，即产生了流体动压力。当压力达到一定数值时，具有挠性支承的静环将从动环表面被推开，这样密封面之间始终保持一层极薄的气膜（厚度3～5μm3 螺旋槽干气密封工作原理 1.3利用微尺度热流体力学等相关理论研究干气密封的必要性 干气密封运转时，其内部气体流动的尺度为微米尺度。由于没有应用相应的微尺度下的流动计算方法，依照经验设计的不可靠性很大，不良的设计常常导致干摩擦或泄漏量超标等诸多问题。随着尺寸的微小化，在宏观流动中可忽略的一些影响因素变得重要起来。基于气体微尺度流动的动力相似性，克努森数Kn成为微尺度研究中确定连续介质假设适用范围的准则数[2]。克努森数Kn是分子自由行程与特征尺寸的比值。寸的比值。,其中为气体分子的平均自由程，为气膜厚。因空气、氮气分子的平均自由程分别为0.069μm和0.060μm，当气膜厚度为3μm时，Kn=0.023和0.020，属于过渡流。其流动特性与气体分子间的相互碰撞以及气体分子与流道壁面之间的碰撞均有关，需要考虑采用速度滑移和温度跳跃的边界条件[3]。 近年来，在干气密封行业内，国内学者建立了微尺度理论下的非线性雷诺方程，根据微小尺度流动的特性，引入线性滑移边界条件，并代入N-S方程利用有限差分法编程求解[4-7]，或用PH线性化方法、迭代法对雷诺方程进行了求解，获得了比无滑移边界条件时更为精确的气体压力分布的解析解，获得了流场的速度分布以及流量功耗气膜刚度等数值[8-11]，但与实验结果之间有一定的出入。这是由于一阶线性滑移边界条件引入的误差, 未考虑速度滑移和温度跳跃在边界条件中相互影响的结果。 2．2.1微纳米通道内流体热动力学研究 90年代以来，微纳米技术的发展很快随着器件的构件尺寸的进一步减小，对传统的流体力学和传热学提出了挑战，迫切要求弄清空间和时间在微细尺度条件下流动和传热的特点和规律，因此国际上正在逐步形成一个微细尺度传热的一个新的分支学科[12]。Beskok 等[13]首先采用二阶滑移边界条件研究了平行平板之间的滑移流动问题，采用二阶边界条件后，得到的质量流量具有更好的精度。Sparrow [14] 指出，在边界上速度滑移和温度跳跃是相互影响的。到目前为止，我国学者通过对不同领域涉及到的微细尺度传热学问题从机理研究、实验研究和数值模拟等三个方面进行了探索和研究，已经取得了许多富有重大理论价值的研究成果[12]。姜培学等[15]对在微小槽道内流体的流动和传热与常规尺度差异的原因和