第二章流体在密封间隙中的流动.ppt

第1页，共29页，星期日，2025年，2月5日密封面间隙很小（通常都是微米um级）流体密封性能————流动状态和流动阻力有关流体在狭窄间隙中的流动分子流粘性流不可压缩流体的粘性流动（密度的相对变化小于5%）可压缩流体的粘性流动在研究和解决流体密封问题时，需要具备在很小密封间隙中流动流体的流体力学方面的一些知识。引言第2页，共29页，星期日，2025年，2月5日克努森数对于气体介质，其流动特征可以用克努森数描述：0.01粘性流体＞1分子流（0.01，1）过渡流（自学）r——泄漏通道当量半径，r=2A/H气体分子的平均自由程k—波尔兹曼常数1.38*10-23J/K＜第3页，共29页，星期日，2025年，2月5日一.分子流长泄漏通道中的分子流（长度与横截面当量半径之比L/r100）pV流率QpvVa是气体分子的平均速度代入得：第4页，共29页，星期日，2025年，2月5日几种不同横截面长管的分子流流率：（1）半径为r的均匀横截面长管（2）边长为a和b的均匀矩形横截面长管（3）长、短半轴分别为a、b的均匀椭圆形横截面长管第5页，共29页，星期日，2025年，2月5日（例2-1）20℃的氮气流过一根长为1m、半径为0.1mm的毛细管，管子一端的压力为30Pa，管子另一端与一高真空容器相连，求流过该毛细管的流率。第6页，共29页，星期日，2025年，2月5日2.小孔和短泄漏通道中的分子流（1）容器器壁上的半径为r的小孔，气体从p1流入p2，流率可用下式计算：对于半径为r的圆孔，流道横截面积代入得：（2）短圆管中分子流流率第7页，共29页，星期日，2025年，2月5日二.不可压缩流体的层流密封接头的性质取决于密封间隙中流体的流动状态和流动阻力。粘性流体受流体内聚力以及流体和固体表面的粘附力所控制。层流——粘性力在流动过程中起主要作用，相邻的流线互相平行。靠近壁面的微小区域由于粘附力可能会表现与主流不平行的流动，但很快就会被消除，整个流动保持层流。流速很大、流体粘性很小——变成紊流（不规则流动）层流紊流Re第8页，共29页，星期日，2025年，2月5日1.雷诺数和雷诺方程运动粘度动力粘度上式也可写成：即雷诺数Re表示流体流动的惯性力和粘性力之比（1）雷诺数和流动状态对于高度为h的密封间隙：第9页，共29页，星期日，2025年，2月5日（2）压力梯度、速度分布和雷诺方程从流体力学角度研究密封，必须解决两个问题：1）流体在密封间隙中的压力分布，由此可计算出液膜的承载能力2）流体流过密封间隙的流率，即泄漏率右图表示层流状态下高度为h的密封间隙在流体中取一个微元体来具体研究第10页，共29页，星期日，2025年，2月5日如图所示，作用在微元体上的力在x方向上的平衡为：(1)第11页，共29页，星期日，2025年，2月5日由此得到x方向上局部压力梯度与剪切力的关系为同理，在z方向上有(2)(3)第12页，共29页，星期日，2025年，2月5日上面两个方程分别对流动速度u和w进行积分，并运用上面的边界条件，则可得到密封间隙中流体流动的速度分布(4)(5)第13页，共29页，星期日，2025年，2月5日2.二维流动根据流体力学知识，不可压缩流体必须满足连续性条件，如右图所示。（6）第14页，共29页，星期日，2025年，2月5日如右图所示，在密封间隙中取一个微元体hdxdz，则上式（6）对y积分，可写成如下形式（7）第15页，共29页，星期日，2025年，2月5日运用下面的计算规则：当y=h时，方程（7）中各项的积分为(8)(9)第16页，共29页，星期日，2025年，2月5日利用方程式（4）和式（5），则方程式（8）和（9）右边的第一项可写成（10）（11）第17页，共29页，星期日，2025年，2月5日联立方程式（8）~（11），则可得到密封间隙中二维流动的雷诺方程（12）第18页，共29页，星期日，2025年，2月5日对于方程式（12），任意的密封间隙高度h(x,z)，求解偏微分方程很困难。但对于特定的问题，可以简化求解。例如，对于一个密封间隙，其中一个密封表面是刚性的，且以速度U1=U沿着x轴方向运动，此时V1=0以及W1=0；另一个刚性密封表面静止不动，即U2、V2、W2都为零。故式（12）可简化为：（13）方程式（13）广泛应用于动密封和轴承间隙中的流体流动分析第19页，共29页，星期日，2025年，2月5日3.一维轴对称流动一维轴对称流动是工程上