空化及温度对核主泵波度密封性能的影响分析方法

1.本发明属于核主泵波度密封性能影响分析技术领域，特别是涉及空化及温度对核主泵波度密封性能的影响分析方法。

背景技术：

2.非接触式机械密封端面间隙中开启力较大时存在液膜，已经有实验证实这一理论，但是液膜承载和润滑机理研究尚不充分。mayer研究了一种表面开有深槽的密封模型，这种密封能产生较大的流体动压，可以应用于高压高转速领域。key等提出了一种表面开有矩形槽的机械密封，发现在压力作用下，矩形槽会发生端面波度变形，这将产生一个和静压共同提供负载支撑的动压。mylonas等基于单锥面收敛型静压型机械密封，设计了一种多锥面收敛间隙模型，为设计核主泵机械密封设计提供了重要依据。djamai等开发了一个有限元模型来分析工况参数和几何参数对密封性能的影响，研究发现，高压工况下，流体静压效应能提供足够大的密封开启力。young和lebeck设计并研究了一种具有径向锥度的波度密封结构，该结构结合了静压效应和动压效应，其中静环锥度收敛面提供静压开启力，波度面提供动压开启力，适用于高压高转速环境。gagan等给出了一种预测轴对称密封件的运行情况的方法，并且预测情况与实验结果较为吻合。
3.国内对于机械密封的研究较晚，顾永泉基于mayer提出的流体动压密封理论，较早的开展机械密封结构、理论和材料等方面的研究。韩婕等建立了径向锥度和周向波度机械密封模型，研究了密封稳态情况下，波度和锥度对密封特性的影响。罗显等针对机械密封表面不同槽型、波度、锥度进行了研究，分析了槽型、锥度和波度的改变对密封性能的影响。孙宇基于fluent软件对上游泵螺旋槽密封结构进行了流场分析，计算了槽根尖角和圆角结构下局部流场的变化，观察到端面泵送槽颗粒沉积情况和端面磨损情况，验证了螺旋槽密封颗粒自清洗的可行性。张强强研究了密封环制造过程误差对密封性能的影响，基于激光加工方法在自由曲面加工上的优势，提出了一种新型的端面密封结构形式。王晓雪等人对采用波形端面流体动压型密封的工作机理进行了研究，研究发现这种密封结构通常具有较大的静压，开启力主要由静压效应提供，流体动压在压力较小时发挥作用。
4.机械密封的空化方面，国外学者对空化机理研究较多，提出了sommerfeld边界、半sommerfeld边界、reynolds边界、jfo边界等空化边界条件。christopherson提出了一种将负压设置为零的方法，即将压力小于空化压力的赋为空化压力，其计算结果与实验较为吻合。jacobsson和floberg在滑动轴承实验基础上提出一个新边界条件，其以质量守恒为基础，考虑了液膜的破裂和重生，利用该边界条件计算的滑动轴承压力分布与实验非常吻合，并且olsson给出了该边界条件的数学证明，该边界条件被命名为jfo边界条件。qiu等利用jfo边界条件预测圆形凹槽机械密封中的空化情况，空化区域和密封参数与实验结果基本吻合。bruneti
è
re等基于气液两相流理论，建立了可求解气体、液体和空化流动的修正reynolds方程，与使用jfo边界条件的预测结果和实验结果对比，结果表明通过调整流体中气体的质量分数可较好的实现对液膜空化的预测。
5.在机械密封空化研究方面，国内针对螺旋槽密封的空化研究较多。李振涛针对端面螺旋槽密封，研究了内槽、中槽在上游泵和下游泵中的空化边界，以及空化边界随结构参数和操作参数变化规律，随后搭建了螺旋槽端面密封试验台，对内槽、外槽和不同操作参数情况下的空化情况和密封性能进行了研究，结果表明仿真结果与实验结果在趋势和数值上都很吻合。马学忠等基于reynolds方程，空化方程采用jfo空化理论对螺旋槽密封进行研究，分析了螺旋槽密封动力润滑下空化效应的影响和作用机理，提出了利用空化效应的抽吸概念，设计了空化抽吸式端面密封，通过仿真计算发现其具有良好的反向抽吸能力和承载性能。刘莹等基于jfo空化边界条件求解雷诺方程，分析了结构参数及工况参数对波度密封性能的影响。韩婷以螺旋槽机械密封为研究对象，分析了表面粗糙度对空化特性和密封性能的作用机理，研究了螺旋槽端面粗糙时几何参数对密封性能的影响。
6.但是目前现有技术中由于波度密封间隙液膜只有微米级厚度，流体在动环转动的驱动下做周向运动，产生大量粘性剪切摩擦热。同时，由于波度的存在，一个周期上的流体形成了一个高压区和低压区，其中低压区压力低于饱和蒸汽压时会发生空化效应。因此，本发明将结合空化效应的发生，对不同膜厚与不同转速下空化效应和粘温效应对密封性能的影响进行分析。

技术实现要素：

7.本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了空化及温度对核主泵波度密封性能的影响分析方法。
8.本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出空化及温度对核主泵波度密封性能的影响分析方法，具体包括：
9.空化模型的选择：选择zgb空化模型，该模型忽略了表面张力、不凝结气体和湍动能的影响，该模型中空化区域的空泡内压力等于当地饱和蒸汽压，空泡直径为固定值，采用气化核心体积分数来描述质量传输速率；
10.流体流动状态判断：用流动因子τ的变化来判断流体层流与湍流状态；
11.边界条件设置：根据边界类型进行边界条件设置；
12.密封性能影响分析：不同膜厚和不同转速下分别进行空化和温度对密封性能的影响分析，在分析过程中采用三种模型的密封性能计算结果进行对比，所述三种模型具体为：hd1模型使用层流模型，不考虑空化效应和粘温效应，求解n-s方程、连续性方程，即流体动力润滑模型；hd2模型使用层流模型，启用空化模型，求解n-s方程、连续性方程和汽相输运方程，其中空化模型为zgb空化模型；thd模型使用层流模型，考虑空化效应和粘温效应，开启能量方程和层流模型中的粘性摩擦热，求解n-s方程、连续性方程、汽相输运方程和能量方程，即热流体动力润滑thd，其中流体粘性随温度变化通过udf导入。
13.进一步地，所述输运方程为：
[0014][0015]
式中，re为相变过程中的蒸发项；rc为相变过程中的冷凝项；α为相体积分数；下角标v为汽相；
[0016]
若p≤pv[0017][0018]
若p》pv[0019][0020]
式中，f
vap
为蒸发项常数；f
cond
为凝结项常数；rb为空泡半径(m)；α
nuc
为成核点体积分数。
[0021]
进一步地，在流体流动状态判断过程中，密封间隙的流动是由couette流动和poiseuille流动组成；
[0022]
当密封环无压力梯度运行，密封环动环旋转带动流体旋转，流动是couette流动，此时雷诺数记为rec：
[0023][0024]
式中，r为密封环半径(m)；ω为密封环旋转角速度(1/s)；h为液膜厚度(m)；
[0025]
当rec《re
cl
时，流动处于层流，当rec》re
ct
时，流动处于湍流；
[0026]
当密封环无旋转，有压力梯度存在时，流动是poiseuille流动，此时雷诺数记为re
p
：
[0027][0028]
式中，vr为密封环间隙流体径向流速；
[0029]
当re
p
《re
pl
时，流动处于层流，当re
p
》re
pt
时，流动处于湍流；
[0030]
流动因子τ：
[0031][0032]
当τ《9/16时，流动处于层流，当τ》1时流动处于湍流；
[0033]
密封环中流体流动状态为层流状态。
[0034]
进一步地，在边界条件设置中，由于密封环具有周期性特征，计算时取一个周期进行计算，周期的两端端面命名为p1与p2，将p1与p2设置为周期性边界条件，即periodic边界条件：
[0035]
p(r,0)＝p(r,2π/k)
[0036]
式中，k为波数。
[0037]
进一步地，核主泵波度密封在运行时，动环固定在主轴上随主轴旋转，设置为旋转壁面，转速为1500rpm，温度边界条件为couple，即耦合换热面；静环静止不动，静环设置为无滑移边界条件，温度边界条件为couple；密封环入口和出口处的压力是已知的，入口和出口边界条件给定压力入口、压力出口，入口处密封介质温度已知，设定为定温入口边界条件；其他设置为壁面边界条件。
[0038]
进一步地，波度密封环工作时，动环外径侧的壁面与密封腔流体发生相对旋转，此时密封腔中流体处于强制对流换热，对流换热系数计算公式为：
[0039][0040]
式中，reb为流体旋转搅拌作用，reb＝ωd
r2
/v；ω为角速度(rad/s)；rea为与流体绕流相关系数，rea＝udr/v；u为动环周围流体轴向速度(m2/s)；v为运动粘度(m2/s)；pr为普朗特数，pr＝μc
p
/k；λ为导热系数(w/m
·
k)；
[0041]
静环的外径侧壁面与密封腔内流体之间是相对静止的，对流换热系数计算公式为：
[0042]
α＝0.023λre
0.8
pr
0.4
/δ
[0043]
式中，δ为静环外径侧间隙(m)；re为雷诺数，re＝vδ/υ；v为静环周围密封介质轴向平均流速(m/s)。
[0044]
进一步地，采用有限体积法将方程在时间和空间上离散；用simple算法求解压力与速度的耦合；压力场的空间离散采用二阶离散格式，动量方程和能量方程的差分格式采用quick格式。
[0045]
进一步地，定义thd模型与hd1模型的泄漏量相对变化率为η1，定义thd模型与hd2模型的泄漏量相对变化率为η2：
[0046][0047][0048]
本发明提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述空化及温度对核主泵波度密封性能的影响分析方法的步骤。
[0049]
本发明提出一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现所述空化及温度对核主泵波度密封性能的影响分析方法的步骤。
附图说明
[0050]
图1为流动状态变化示意图；
[0051]
图2为波度密封边界条件示意图；
[0052]
图3为开启力随膜厚变化模型对比图；
[0053]
图4为泄漏量随膜厚变化模型对比图；
[0054]
图5为不同转速下径向温度分布图；
[0055]
图6为开启力随转速变化模型对比图；
[0056]
图7为泄漏量随转速变化模型对比图；
[0057]
图8为流体平均温度与泄漏量变化量关系示意图。
具体实施方式
[0058]
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实
施例，都属于本发明保护的范围。
[0059]
结合图1-图8，本发明提出空化及温度对核主泵波度密封性能的影响分析方法，所述方法具体包括：
[0060]
空化模型的选择：选择zgb空化模型，该模型忽略了表面张力、不凝结气体和湍动能的影响，该模型中空化区域的空泡内压力等于当地饱和蒸汽压，空泡直径为固定值，采用气化核心体积分数来描述质量传输速率；
[0061]
流体流动状态判断：用流动因子τ的变化来判断流体层流与湍流状态；
[0062]
边界条件设置：根据边界类型进行边界条件设置；
[0063]
密封性能影响分析：不同膜厚和不同转速下分别进行空化和温度对密封性能的影响分析，在分析过程中采用三种模型的密封性能计算结果进行对比，所述三种模型具体为：hd1模型使用层流模型，不考虑空化效应和粘温效应，求解n-s方程、连续性方程，即流体动力润滑模型；hd2模型使用层流模型，启用空化模型，求解n-s方程、连续性方程和汽相输运方程，其中空化模型为zgb空化模型；thd模型使用层流模型，考虑空化效应和粘温效应，开启能量方程和层流模型中的粘性摩擦热，求解n-s方程、连续性方程、汽相输运方程和能量方程，即热流体动力润滑thd，其中流体粘性随温度变化通过udf导入。
[0064]
空化模型
[0065]
当流体动压较大，静压降到流体的饱和蒸气压以下，流体局部将产生空化气泡。波度密封中，由于波度的存在，使得流体在密封环内产生了一个高压区和一个低压区，低压区内往往易发生空化，所以需要在仿真计算中加入空化模型。
[0066]
mixture模型是一种简化的欧拉多相流模型，它有非常广泛的应用。该模型还可用于具有很强耦合作用和相运动速度相同的均相多相流模型，并可用于计算非牛顿流体粘度。mixture模型可以通过求解混合物的动量、连续和能量方程、次相的体积分数方程和相对速度的代数表达式来模拟n相(流体或颗粒)的多相流。
[0067]
mixture模型计算精度没有euler模型高，但混合模型中有较为成熟的气穴空化模型，计算效率更高且更稳定，能很好的替代euler模型，所以本发明选择mixture模型进行计算。
[0068]
本发明中主相为水，第二相为水蒸汽，rayleigh-plesset方程提供了控制蒸汽产生和冷凝的基本规律，其他空化模型均建立在该方程基础之上，本发明选择zgb(zwart-gerber-belamri)空化模型，该模型忽略了表面张力、不凝结气体和湍动能的影响，该模型认为空化区域的空泡内压力等于当地饱和蒸汽压，空泡直径为固定值，采用气化核心体积分数来描述质量传输速率。
[0069]
所述输运方程为：
[0070][0071]
式中，re为相变过程中的蒸发项；rc为相变过程中的冷凝项；α为相体积分数；下角标v为汽相；
[0072]
若p≤pv[0073]
[0074]
若p》pv[0075][0076]
式中，f
vap
为蒸发项常数；f
cond
为凝结项常数；rb为空泡半径(m)；α
nuc
为成核点体积分数。
[0077]
流动状态判断
[0078]
由于密封间隙液膜过薄，常用的流动状态判断方法并不适用，本发明提出了一种用流动因子τ的变化来判断流体层流与湍流状态，图1表示流体流动状态与τ、re
p
、rec等参数的关系。
[0079]
在流体流动状态判断过程中，密封间隙的流动是由couette流动和poiseuille流动组成；
[0080]
当密封环无压力梯度运行，密封环动环旋转带动流体旋转，流动是couette流动，此时雷诺数记为rec：
[0081][0082]
式中，r为密封环半径(m)；ω为密封环旋转角速度(1/s)；h为液膜厚度(m)；
[0083]
当rec《re
cl
时，流动处于层流，当rec》re
ct
时，流动处于湍流；
[0084]
当密封环无旋转，有压力梯度存在时，流动是poiseuille流动，此时雷诺数记为re
p
：
[0085][0086]
式中，vr为密封环间隙流体径向流速；
[0087]
当re
p
《re
pl
时，流动处于层流，当re
p
》re
pt
时，流动处于湍流；
[0088]
流动因子τ：
[0089][0090]
当τ《9/16时，流动处于层流，当τ》1时流动处于湍流；
[0091]
波度密封的密封介质是50℃水，动力粘度为5.494
×
10-4
pa
·
s，密度为988.1kg/m3，密封环转速为1500rpm，密封环外径为0.15125m，内径为0.14025m，液膜厚度约为1μm～10μm，径向流速由模拟结果可求，径向流速最大值为23.754m/s，计算得到雷诺数rec最大为427.07，re
p
最大为427.21，明显小于re
cl
和re
pl
，根据流动因子τ的定义，τ为0.325，远小于层流分界线的9/16，密封环中流体流动状态为层流状态。
[0092]
边界条件设置
[0093]
在边界条件设置中，由于密封环具有周期性特征，计算时取一个周期进行计算，周期的两端端面命名为p1与p2，将p1与p2设置为周期性边界条件，即periodic边界条件：
[0094]
p(r,0)＝p(r,2π/k)
[0095]
式中，k为波数。
[0096]
计算中fluent默认p1与p2的流场一致，两者类似于interface连接。
[0097]
密封环密封介质在高压作用下在外径处流入，在内径处流出，边界条件设置示意图如图2所示。
[0098]
核主泵波度密封在运行时，动环固定在主轴上随主轴旋转，设置为旋转壁面，转速为1500rpm，温度边界条件为couple，即耦合换热面。静环静止不动，静环设置为无滑移边界条件，温度边界条件为couple。密封环入口和出口处的压力是已知的，入口和出口边界条件给定压力入口、压力出口，入口处密封介质温度已知，设定为定温入口边界条件；其他设置为壁面边界条件。具体的边界条件设置表1中给出。
[0099]
表1边界条件设置
[0100][0101]
波度密封环工作时，动环外径侧的壁面与密封腔流体发生相对旋转，此时密封腔中流体处于强制对流换热，对流换热系数计算公式为：
[0102][0103]
式中，reb为流体旋转搅拌作用，reb＝ωd
r2
/v；ω为角速度(rad/s)；rea为与流体绕流相关系数，rea＝udr/v；u为动环周围流体轴向速度(m2/s)；v为运动粘度(m2/s)；pr为普朗特数，pr＝μc
p
/k；λ为导热系数(w/m
·
k)；
[0104]
静环的外径侧壁面与密封腔内流体之间是相对静止的，对流换热系数计算公式为：
[0105]
α＝0.023λre
0.8
pr
0.4
/δ
[0106]
式中，δ为静环外径侧间隙(m)；re为雷诺数，re＝vδ/υ；v为静环周围密封介质轴向平均流速(m/s)。
[0107]
不同膜厚下空化和温度对密封性能的影响
[0108]
为了深入研究空化效应和粘温效应对密封性能的影响，本发明将对三种不同的计算模型进行仿真模拟，对三种模型的密封性能计算结果进行对比。hd1模型使用层流模型，不考虑空化效应和粘温效应，求解n-s方程、连续性方程，即流体动力润滑(hydrodynamic lubrication，hd)模型；hd2模型使用层流模型，启用空化模型，求解n-s方程、连续性方程和汽相输运方程，其中空化模型为zgb空化模型；thd模型使用层流模型，考虑空化效应和粘温效应，开启能量方程和层流模型中的粘性摩擦热，求解n-s方程、连续性方程、汽相输运方程和能量方程，即热流体动力润滑(thermohydrodynamic lubrication，thd)，其中流体粘性随温度变化通过udf导入。
[0109]
本发明计算采用有限体积法将方程在时间和空间上离散。用simple算法求解压力与速度的耦合。压力场的空间离散采用二阶离散格式，动量方程和能量方程的差分格式采
用quick格式。
[0110]
图3所示为三种模型计算的液膜开启力随基础膜厚变化。由于hd1模型计算时未考虑空化情况，在膜厚较小时会造成液膜中出现大量负压区，而开启力是对液膜压力的面积分，所以负压的存在对开启力起到了消极作用。从图中可以看出，由于hd2模型中空化模型对流体最低压力做出了限制，消除了负压区对开启力的消极作用，在膜厚小于3μm时，由于空化效应的存在，hd2模型计算出的开启力高于hd1模型，在3μm之后，空化效应消失，两种模型计算出的开启力相等。
[0111]
考虑热流耦合的thd模型中加有能量方程和空化模型，开启力在小膜厚情况下高于hd1模型而低于hd2模型。对比可以看出，加入能量方程和粘性摩擦热后，由于温度的上升，导致流体粘度下降，降低了动压效应，从而导致thd模型开启力低于hd2模型。但由于温度升高带来的消极影响低于空化带来的积极影响，所以膜厚小时，thd的开启力仍然大于hd1，随着膜厚逐渐增加，空化效应逐渐降低，粘温效应带来的影响逐渐占据主导地位，且在3μm空化效应消失时差距达到最大，此后随着膜厚的增加，粘性摩擦热效应逐渐减弱，thd模型和其他两模型差距逐渐减小。
[0112]
密封环流体主要有压差驱动的泊肃叶流动和粘性力影响的库埃特流动，由于空化效应的存在，低于饱和蒸汽压力的水变为水蒸汽，密封环中出现气泡，阻碍了流体流动，由此减少出口处的泄漏量。当流体温度上升时，粘性会随之下降，也即粘温效应，流体粘性的降低将会弱化库埃特流动，使随着动环旋转的流体减少，使流体更易于流动，此时泊肃叶流动便会加强，使出口处的泄漏量增大。
[0113]
定义thd模型与hd1模型的泄漏量相对变化率为η1，定义thd模型与hd2模型的泄漏量相对变化率为η2：
[0114][0115][0116]
图4为不同计算模型泄漏量随膜厚的变化，thd模型的泄漏量始终大于其他两模型，但由于粘温效应随着膜厚增加而逐渐减小，所以thd与其他两模型的差距在逐渐减小。由于3μm后空化效应消失，所以模型对比变化率在3μm处开始重合，此后相对变化仅由粘温效应主导。从三模型的相对变化趋势可以看出，小膜厚时粘温效应的影响随着膜厚增加急剧下降，但粘性降低对泄漏量的促进作用大于空化对流体泄漏的阻碍作用，且由于空化效应随膜厚减弱趋势大于粘温效应减弱趋势，所以在3μm前η1越来越大，随后由于空化效应的消失，粘温效应的减弱，η1和η2随着膜厚增大逐渐减小，过程中减小速度变缓。
[0117]
从粘温效应和空化效应对密封性能的影响随膜厚变化的对比中可以看出，在膜厚较小时，空化效应对开启力的影响比粘温效应大，而粘温效应对泄漏量的影响要大于空化效应；在膜厚较大时，由于空化效应的减弱甚至是消失，粘温效应对开启力和泄漏量的影响都占据主导地位。
[0118]
不同转速下空化和温度对密封性能的影响
[0119]
在不同的输入转速下，动静环间的相对滑动速度不同，因此粘性摩擦热产生的热量也不相同，导致不同转速下流体温度变化也不相同，且由于转速的变化会影响液膜压力
分布，将会对空化体积分数产生影响。本发明将对粘温效应和空化效应随转速的变化对密封性能参数影响进行探究。
[0120]
本发明选用基础膜厚为2μm的几何模型进行计算，工作压力为5.3mpa，转速为500～3000rpm，进口温度为323.15k。
[0121]
液膜厚度在坝区之后沿径向逐渐增加，所以进口处液膜厚度较大，出口处的坝区内膜厚最小。图5为不同转速下流体域径向温度分布图，从图中可以看出沿半径方向，进口处温度较低，由于液膜厚度的逐渐减小，温度沿着流动方向逐渐升高，但升高的速度逐渐下降，在出口处温度达到最大值。随着转速的提高，流体温度分布有明显提升，出口处温度差成倍增长，进出口温差也越来越大，且温度升高幅度与转速升高幅度几乎成正比。由此可以看出，转速的提高对流体温度影响很大，温度变化将会反映在流体物性上，进而影响密封性能。
[0122]
图6为开启力随转速变化时三种计算模型结果对比，从图中可以看出，hd1模型开启力随转速增加而降低，这是由于速度增加使低压区流体压力下降，导致负压产生，进而影响了开启力；由于hd2模型和thd模型都启用了空化模型，所以低压区得到控制，而高压区在动压效应影响下随转速增大而逐渐增大，所以hd2模型和thd模型在转速1500rpm以下未产生空化时，开启力逐渐下降，但转速高于1500rpm后，空化的产生和高压区的扩大导致开启力逐渐增大。
[0123]
在转速低于1500rpm时，thd模型开启力低于其他两模型，但差距不大；当转速大于1500rpm时，随着空化效应的增加hd2模型和thd模型与hd1模型的差距逐渐增大，由于粘温效应的存在hd2模型开启力大于thd模型，但差距远远小于与hd1模型的差距，说明随着转速的增加，空化效应对开启力的积极影响大于粘温效应带来的消极影响，空化效应的影响逐渐占据主导地位。
[0124]
图7为泄漏量随转速变化模型对比，从图中可以看出，随转速增加hd1和hd2模型泄漏量逐渐减小，thd模型泄漏量逐渐增加，且增加幅度远远大于hd1和hd2模型减小幅度。hd2模型泄漏量小于hd1模型，这是由于空化效应的存在阻止流体泄漏，但随转速的增加两者差距逐渐缩小，可见空化效应对流体的阻滞作用是随转速增加而减小的；而thd模型泄漏量远远大于其他两个模型，随着转速增大粘性摩擦热增大，泄漏量逐渐增加，500rpm时thd模型泄漏量已经大于hd2模型，说明低转速时粘温效应对泄漏量的促进作用已经大于空化效应的阻滞作用，而这种差距随着转速的增加而增加，且增加的速度越来越快。由此可以看出，在泄漏量随转速的变化过程中，起主导作用的是粘温效应。
[0125]
图8反映了thd模型中，流体平均温度与η1随转速的变化关系，从图中可以看出，流体平均温度变化几乎与转速变化成正比，η1在低转速时较小，但随着转速增大，流体平均温度增大，粘温效应对泄漏量的促进作用增加，η1逐渐增加，且转速较高时几乎与流体平均温度趋势一致。
[0126]
从粘温效应和空化效应对密封性能的影响随转速变化的对比中可以看出，在转速较小时，空化效应和粘温效应较弱，开启力变化并不明显，但泄漏量即使在低转速下粘温效应的促进作用依然十分明显。在转速较大时，空化效应对开启力的影响比粘温效应大，而粘温效应对泄漏量的影响要远大于空化效应。
[0127]
本发明提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，
所述处理器执行所述计算机程序时实现所述空化及温度对核主泵波度密封性能的影响分析方法的步骤。
[0128]
本发明提出一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现所述空化及温度对核主泵波度密封性能的影响分析方法的步骤。
[0129]
本技术实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(read only memory，rom)、可编程只读存储器(programmable rom，prom)、可擦除可编程只读存储器(erasable prom，eprom)、电可擦除可编程只读存储器(electrically eprom，eeprom)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(random access memory，ram)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的ram可用，例如静态随机存取存储器(static ram，sram)、动态随机存取存储器(dynamic ram，dram)、同步动态随机存取存储器(synchronous dram，sdram)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(double data rate sdram，ddr sdram)、增强型同步动态随机存取存储器(enhanced sdram，esdram)、同步连接动态随机存取存储器(synchlink dram，sldram)和直接内存总线随机存取存储器(direct rambus ram，dr ram)。应注意，本发明描述的方法的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
[0130]
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机指令时，全部或部分地产生按照本技术实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(digital subscriber line，dsl))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，高密度数字视频光盘(digital video disc，dvd))、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solid state disc，ssd))等。
[0131]
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。结合本技术实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
[0132]
应注意，本技术实施例中的处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法实施例的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻
辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本技术实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本技术实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
[0133]
以上对本发明所提出的空化及温度对核主泵波度密封性能的影响分析方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：

1.空化及温度对核主泵波度密封性能的影响分析方法，其特征在于，具体包括：空化模型的选择：选择zgb空化模型，该模型忽略了表面张力、不凝结气体和湍动能的影响，该模型中空化区域的空泡内压力等于当地饱和蒸汽压，空泡直径为固定值，采用气化核心体积分数来描述质量传输速率；流体流动状态判断：用流动因子τ的变化来判断流体层流与湍流状态；边界条件设置：根据边界类型进行边界条件设置；密封性能影响分析：不同膜厚和不同转速下分别进行空化和温度对密封性能的影响分析，在分析过程中采用三种模型的密封性能计算结果进行对比，所述三种模型具体为：hd1模型使用层流模型，不考虑空化效应和粘温效应，求解n-s方程、连续性方程，即流体动力润滑模型；hd2模型使用层流模型，启用空化模型，求解n-s方程、连续性方程和汽相输运方程，其中空化模型为zgb空化模型；thd模型使用层流模型，考虑空化效应和粘温效应，开启能量方程和层流模型中的粘性摩擦热，求解n-s方程、连续性方程、汽相输运方程和能量方程，即热流体动力润滑thd，其中流体粘性随温度变化通过udf导入。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述输运方程为：式中，r
e
为相变过程中的蒸发项；r
c
为相变过程中的冷凝项；α为相体积分数；下角标v为汽相；若p≤p
v
若p>p
v
式中，f
vap
为蒸发项常数；f
cond
为凝结项常数；r
b
为空泡半径(m)；α
nuc
为成核点体积分数。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在流体流动状态判断过程中，密封间隙的流动是由couette流动和poiseuille流动组成；当密封环无压力梯度运行，密封环动环旋转带动流体旋转，流动是couette流动，此时雷诺数记为re
c
：式中，r为密封环半径(m)；ω为密封环旋转角速度(1/s)；h为液膜厚度(m)；当re
c
<re
cl
时，流动处于层流，当re
c
>re
ct
时，流动处于湍流；当密封环无旋转，有压力梯度存在时，流动是poiseuille流动，此时雷诺数记为re
p
：式中，v
r
为密封环间隙流体径向流速；当re
p
<re
pl
时，流动处于层流，当re
p
>re
pt
时，流动处于湍流；流动因子τ：
当τ<9/16时，流动处于层流，当τ>1时流动处于湍流；密封环中流体流动状态为层流状态。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在边界条件设置中，由于密封环具有周期性特征，计算时取一个周期进行计算，周期的两端端面命名为p1与p2，将p1与p2设置为周期性边界条件，即periodic边界条件：p(r,0)＝p(r,2π/k)式中，k为波数。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，核主泵波度密封在运行时，动环固定在主轴上随主轴旋转，设置为旋转壁面，转速为1500rpm，温度边界条件为couple，即耦合换热面；静环静止不动，静环设置为无滑移边界条件，温度边界条件为couple；密封环入口和出口处的压力是已知的，入口和出口边界条件给定压力入口、压力出口，入口处密封介质温度已知，设定为定温入口边界条件；其他设置为壁面边界条件。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，波度密封环工作时，动环外径侧的壁面与密封腔流体发生相对旋转，此时密封腔中流体处于强制对流换热，对流换热系数计算公式为：式中，re
b
为流体旋转搅拌作用，re
b
＝ωd
r2
/v；ω为角速度(rad/s)；re
a
为与流体绕流相关系数，re
a
＝ud
r
/v；u为动环周围流体轴向速度(m2/s)；v为运动粘度(m2/s)；pr为普朗特数，pr＝μc
p
/k；λ为导热系数(w/m
·
k)；静环的外径侧壁面与密封腔内流体之间是相对静止的，对流换热系数计算公式为：α＝0.023λre
0.8
pr
0.4
δ式中，δ为静环外径侧间隙(m)；re为雷诺数，re＝vδ/υ；v为静环周围密封介质轴向平均流速(m/s)。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用有限体积法将方程在时间和空间上离散；用simple算法求解压力与速度的耦合；压力场的空间离散采用二阶离散格式，动量方程和能量方程的差分格式采用quick格式。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，定义thd模型与hd1模型的泄漏量相对变化率为η1，定义thd模型与hd2模型的泄漏量相对变化率为η2：：9.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-8任一项所述方法的步骤。10.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被
处理器执行时实现权利要求1-8任一项所述方法的步骤。

技术总结

本发明提出空化及温度对核主泵波度密封性能的影响分析方法。所述方法包括空化模型的选择、流体流动状态判断、边界条件设置和密封性能影响分析。选用了三种不同的计算模型，计算了膜厚及转速变化下的密封性能参数，通过对三种模型计算结果对比发现：(1)膜厚较小时，空化效应对开启力的影响较大，对开启力促进作用明显，粘温效应使开启力减小。膜厚较大时，空化效应减弱甚至是消失，粘温效应对开启力和泄漏量的影响超过空化效应。(2)转速较小时，空化区域较小，开启力变化并不明显，但粘温效应对泄漏量的促进作用依然十分明显。在转速较大时，空化效应对开启力的影响比粘温效应大，且空化效应促进开启力增大，粘温效应对开启力影响较小。小。小。