机械密封磨合过程端面接触特性

为研究和掌握机械密封磨合过程端面接触特性的变化规律,考虑机械密封端面微凸体实际微接触面积与微接触截面积之间的区别,对微凸体临界弹性变形微接触面积和临界塑性变形微接触面积的表达式进行修正;推导得出机械密封端面弹性接触面积比、弹塑性接触面积比和塑性接触面积比的表达式。对B104a-70型机械密封进行磨合试验,试验介质为20℃清水,压力为0.5 MPa,弹簧比压为0.15 MPa,转速为2900 r·min^-1。研究结果表明,随着磨合过程的进行,软质环端面迅速趋于光滑,磨损率迅速减小;磨合使密封端面间的接触特性发生了较大的变化,量纲1真实接触面积由0.00348增大到0.00567,弹性接触面积比由0.716增大到0.822,弹塑性接触面积比由0.231降低到0.128,塑性接触面积比由0.053降低到0.050。     

含杂质二氧化碳实际气体干气密封性能研究

基于EOS-CG模型和GERG-2008模型计算含杂质二氧化碳混合气体的密度,基于CO₂-Pedersen模型计算混合气体的黏度。利用模型计算数据拟合获得含杂质二氧化碳混合气体密度、黏度与压力的关系式,用以描述混合气体的实际行为以及黏度随压力变化的规律。采用有限差分法求解稳态雷诺方程,得到了纯二氧化碳和含杂质二氧化碳干气密封开启力、泄漏率以及气膜刚度,并分析了杂质对二氧化碳干气密封性能(开启力、泄漏率、气膜刚度)的影响。考虑的变量有端面平均线速度、气膜厚度、进口温度以及进口压力等。结果表明：当进口压力为15.26 MPa,进口温度为363.15 K,线速度为74.030 m/s,气膜厚度为3.05 μm时,含杂质二氧化碳干气密封开启力和泄漏率都小于纯二氧化碳干气密封开启力和泄漏率,且杂质含量越多,差别越明显;杂质对二氧化碳干气密封开启力、泄漏率、气膜刚度的影响随端面平均线速度的增大而增大;对泄漏率、气膜刚度的影响随气膜厚度的增加而减小;对开启力、泄漏率、气膜刚度的影响随进口温度的增大而减小;对开启力的影响随进口压力的增大先减小,再增大,最后减小,对泄漏率的影响随进口压力的增大先增大后减小,对气膜刚度的影响随进口压力的增大先减小后增大。     

层流状态下高压高转速二氧化碳干气密封的惯性效应分析

借鉴考虑惯性效应的气体止推轴承理论,以维里三项截断式描述二氧化碳的实际气体行为,同时考虑阻塞流效应和密封端面间气膜的黏度变化,采用有限差分法分别分析了层流状态下惯性效应对泵入式、泵出式螺旋槽干气密封稳态性能的影响规律,并与理想气体无惯性假设模型的计算结果进行了对比。结果表明：与理想气体相比,惯性效应对二氧化碳实际气体干气密封性能的影响程度更高。惯性效应使泵入式螺旋槽干气密封泄漏率和开启力均减小,而对泵出式螺旋槽干气密封的影响程度恰好相反。以泵入式螺旋槽干气密封为例,惯性效应对二氧化碳干气密封性能（泄漏率、开启力）的影响分别随密封压力和转速的增大而增强,随气膜厚度的增大而减小,密封压力为10 MPa,气膜厚度为3 μm,转速为20000 r·min^-1时,惯性效应使泄漏率降低62.21%,开启力降低35.03%,使二氧化碳泵入式螺旋槽干气密封发生阻塞流动的临界进口压力提高。此外,二氧化碳的温度越接近其临界温度,惯性效应表现得越明显。     

单螺杆膨胀机螺旋槽道内液膜分布均匀特性

螺旋槽道内均匀分布的液膜厚度对减小气体泄漏,保证膨胀机高效稳定运行至关重要。本文采用VOF两相流数值模型,主要探讨螺旋槽道结构参数对y方向液膜膜厚均匀度分布的影响规律。根据前期试验获得的螺旋槽内两相环状流的试验数据验证了数值模型的准确性,给出了入射角度η=0.90β时,液膜沿螺旋槽道内的演变过程。可以看出,当η=0.90β时,扭转效应对螺旋槽液相分布的影响基本可以忽略不计,螺旋槽外侧液膜厚度沿y方向基本呈均匀分布。理论分析不同无量纲节距和曲率比对y方向液膜厚度均匀度的影响规律,结果表明：随着螺旋槽道无量纲节距的增大,液膜厚度均匀度有所增加,随着曲率比的增大,液膜厚度均匀度降低。     

机械密封摩擦副端面接触分形模型的修正

分析了原机械密封摩擦副端面接触分形模型存在的问题,并进行了修正,得到了摩擦副端面微凸体承载面积比与端面比压的关系式。修正模型考虑了摩擦副端面间流体膜压的作用、微凸体实际微接触面积与微接触截面积之间的区别,并通过采用一个三次多项式来表达弹塑性变形微凸体的接触压力与接触面积的关系,从而满足了接触微凸体在变形状态转变临界点处的接触面积与接触压力转化皆是连续和光滑的条件。依据修正后的接触分形模型对密封面配对材料为硬质合金YG8-碳石墨M106K的部分平衡型机械密封摩擦副端面微凸体承载面积比的影响因素进行了分析。结果表明,微凸体承载面积比随着弹簧比压的增大近似呈线性增大,随着密封流体压力的增大而非线性单调增大,随着端面分形维数的增大先增大后减小,随着端面特征尺度系数的增大而减小;在正常工作参数范围内,真实接触面积仅占名义接触面积的很小一部分。     

干气密封端面气膜压力及开启力的数值模拟

为了全面了解干气密封端面流场特性,基于N-S方程、层流模型、SIMPLEC算法,在端面间隙和转速的多种变化情况下,对干气密封端面流场进行数值模拟,重点考察了端面气膜压力及开启力的变化情况. 数值结果表明,端面气膜压力总是在槽台交界处产生较大变化,在气体流出的槽台交界处产生流体动压力,而在气体流入的槽台交界处存在局部负压区域,会削弱端面开启力和气膜刚度. 通过合理设计槽形,增大正压区域的同时减小负压区域,可提高端面开启力和气膜刚度. 对比分析表明,通过优化槽形可大大提高端面开启力和气膜刚度,使密封更稳定.     

基于配煤和表面修饰改善褐煤成浆性的研究

为改善褐煤成浆性,使其满足水煤浆气化需求,利用石油焦配煤,煤油作为表面修饰剂,研究改性方式对褐煤成浆性的影响。结果表明：（1）石油焦具有较强的疏水性,添加石油焦配煤显著提高褐煤的成浆浓度,且成浆浓度与石油焦占干基固体颗粒质量分数α（α>10.0%）正相关;（2）添加占干基固体颗粒质量β的煤油表面修饰配煤混合颗粒可以增强颗粒疏水性,进一步提高煤焦浆浓度,黏度随β先减小后增大,β最佳值与α（α>10.0%）负相关;（3）添加微量石油焦（α<1.0%）煤油悬浮液修饰时,可以提高煤油修饰效果,降低煤焦浆黏度η,α最佳值与β正相关。     

层流状态下高压高转速二氧化碳干气密封的惯性效应分析

借鉴考虑惯性效应的气体止推轴承理论,以维里三项截断式描述二氧化碳的实际气体行为,同时考虑阻塞流效应和密封端面间气膜的黏度变化,采用有限差分法分别分析了层流状态下惯性效应对泵入式、泵出式螺旋槽干气密封稳态性能的影响规律,并与理想气体无惯性假设模型的计算结果进行了对比。结果表明:与理想气体相比,惯性效应对二氧化碳实际气体干气密封性能的影响程度更高。惯性效应使泵入式螺旋槽干气密封泄漏率和开启力均减小,而对泵出式螺旋槽干气密封的影响程度恰好相反。以泵入式螺旋槽干气密封为例,惯性效应对二氧化碳干气密封性能(泄漏率、开启力)的影响分别随密封压力和转速的增大而增强,随气膜厚度的增大而减小,密封压力为10 MPa,气膜厚度为3μm,转速为20000 r·min-1时,惯性效应使泄漏率降低62.21%,开启力降低35.03%,使二氧化碳泵入式螺旋槽干气密封发生阻塞流动的临界进口压力提高。此外,二氧化碳的温度越接近其临界温度,惯性效应表现得越明显。     

超重力精馏回收果胶沉淀溶剂的应用

同时应用超重力精馏连续与间歇操作分离回收果胶沉淀溶剂中的乙醇,并以不锈钢波纹丝网为填料,在原料乙醇质量分数x_f=55%、回流比R=4、超重力因子β=63.16～252.67、原料流量F=15～50L/h、1.01×10⁵Pa和室温进料下操作,研究了四级超重机在连续精馏过程中的传质性能;并在β=161.71、R=2.5～7及1.01×10⁵Pa操作条件下,考察了间歇精馏过程中不同回流比R对塔顶和塔底乙醇浓度x_d和x_w的影响.结果表明,在连续精馏过程中,理论塔板数N_T随β和F的增大而增加,设备的等板高度HETP为41.12～58.21mm,x_d=93%,x_w=35%;在间歇精馏过程中,x_d随着R的增大先增高后降低,x_w随着R和t的增大而下降,所得产品x_d为92.5%,x_w为1.05%;乙醇分离回收效果良好,回收率为91.28%,单位回收乙醇产品成本为0.644元/L,充分表现出超重力精馏工艺应用于果胶沉淀溶剂的回收再利用的优势.     

一种基于特斯拉阀结构的微混合器设计、模拟及其试验研究

微混合器是常见的用于流体混合的设备,由于特斯拉阀结构简单稳定,流动方式特殊,具有开发微混合器的潜质。本文通过数值模拟的方法,在特斯拉阀结构以及前期研究的基础上,改进并优化了一种特斯拉型的微混合器,利用流体力学软件（Fluent）研究了不同θ角度以及不同雷诺数下的混合程度,并对该结构的混合效果进行了流场分析以及试验验证。结果表明,该新型微混合器的最佳几何参数为θ=30°。两股流体在Re=52.5、混合长度为50mm时,混合程度η=0.9647,体系压降为330.45Pa。该微混合器的操作压降较低,相对于先前结构,混合性能更好,混合长度更短。     

Gas-liquid-liquid extraction in a novel rotating microchannel extractor

In this work, a novel rotating microchannel extractor (RME) is designed and further used for the extraction of chromium (III) from water. Unexpectedly, the micro-extraction had the same effect as carrying out 2.9-stage cross-flow extractions. Various factors, including the gas intake methods, gas intake quantity (Q_g), distance between inner rotor and outer wall (D), rotational inner rotor speed (R) and volumetric flow rate (Q_a, Q_o), were selected to investigate their effect on the extraction efficiency (η) thoroughly. The relation map of η with Wea and We_o-g for RME provides a comprehension for the gas-liquid-liquid extraction process in this RME system.     

CO2 absorption performance in a rotating disk reactor using DBU-glycerol as solvent

Gas–liquid mass transfer of rotating disk reactor was studied in CO_2 absorption using 1,8-diazabicyclo-[5.4.0]-undec-7-ene(DBU)-glycerol solution as solvent. Effects of the rotating disk structure and various operation parameters on the CO_2 absorption rate and CO_2 removal efficiency were investigated. The rotating disk with optimal holes is conducive to mass transfer of CO_2 and the formation of thin liquid film at the opening increases the gas–liquid contact area. With the increase of rotating speed, the liquid flow pattern on the rotating disk surface changes from thin film flow to separated streams and creates extra liquid lines attached to the rim of the disk,which leads to a very complicated change on the CO_2 absorption rate and CO_2 removal efficiency. The overall gas-phase mass transfer coefficient increases 138% as the rotating speed increasing from 250 to 1400 r·min~(-1).Increasing temperature from 298 to 338 K can enhance the CO_2 absorption rate due to lowering the viscosity of the solvent. The rate-determined step for the absorption is focused on the gas side. The rotating disk reactor can effectively enhance the absorption of CO_2 with viscous DBU-glycerol solvents.     

传热模型对近临界工况CO2干气密封温压分布和稳态性能影响

干气密封流体膜与密封环间传热模型的合理选取对于准确求解密封温压分布和稳态性能至关重要。在CO₂近临界工况下,对比研究了密封环等温模型、绝热模型和共轭热传递模型对超临界CO₂干气密封端面温度、压力分布和开启力、泄漏率等稳态性能的影响,探讨了不同膜厚和转速条件下密封环等温模型和绝热模型的适用性,并基于共轭热传递模型研究了超临界CO₂和空气介质干气密封的温压分布和稳态性能差异。结果表明：以共轭热传递模型计算结果为基准,密封环等温模型假设适用于小膜厚低速流动工况,不过开启力偏低而泄漏率偏高,绝热模型假设适用于大膜厚高速流动工况;相较于空气介质干气密封,超临界CO₂干气密封在小膜厚下的温度分布和大膜厚下的压力分布基本接近,不过小膜厚下的温度更低,而在大膜厚下的压力更高。     

壁面润湿性对微通道内Taylor流动特性的影响

壁面润湿性不仅影响着Taylor气泡的形状,同时对通道内流体流动、相变换热等有着关键的作用。采用VOF模型对T型微通道内气液两相Taylor流动进行三维数值模拟,重点研究了接触角改变对Taylor气泡流体动力学特性的影响。模拟结果与他人实验数据对比基本吻合,验证了模型的有效性。结果表明：随着接触角增大,气泡周围液含量逐渐降低,相界面也由外凸形变为内凹形。壁面越接近润湿（或疏水）状态,气液接触面的曲率就越大;当120°≤θ≤150°时Taylor气泡稳定性变差。当θ≥150°时“拖曳流态”出现,分析指出在大接触角下气体更易贴附壁面导致接触区内流场发生变化,形成的涡流减弱了水对气相的水平剪切作用,进而引起流型转变。接触角对通道内压力有着重要影响,通道中心轴向压力曲线以θ=90°为过渡,润湿状态下呈凸函数递减且p _G>p _L,疏水状态下气液进口处的压力分配改变,曲线趋势相反。     

多孔质机械密封耦合润滑模型与密封性能分析

考虑多孔质材料内密封介质渗流与密封端面润滑液膜间的传质耦合关系,建立了一种多孔质机械密封的流体润滑模型,采用有限单元法求解液膜润滑方程和多孔质内部渗流控制方程,研究了膜厚、渗透率、多孔质环几何参数对密封性能的影响规律,揭示了多孔质机械密封的工作机理。结果表明：多孔质机械密封依靠流体静压效应在密封端面成膜,相较于普通平行端面密封,其液膜承载力和轴向刚度更大;随多孔质渗透率的增大,多孔质机械密封泄漏率和开启力逐渐增大,而液膜刚度逐渐减小;液膜厚度的增大会导致泄漏率的增大和开启力的减小,而液膜刚度先增大后减小,且不同渗透率下的最大刚度分别对应不同的膜厚值。研究结果可为多孔质机械密封的工程设计提供新的思路和理论指导。     

Peeling from Soft Adherends

The equations^1,2 proposed for the resistance to peeling are valid, if at all, only if the bulk adherend (2 in Figure 1) is completely rigid. In this figure, I is the adhesive, R the flexible ribbon, and F the force applied to the edge of the ribbon. If the bulk adherend also is deformed during the stripping, the work is spend not only on bending R and extending I but also on that deformation, and the force F^m required to start (or to propagate) peeling would be expected to be greater than for a rigid plate 2.     

多孔质机械密封耦合润滑模型与密封性能分析

考虑多孔质材料内密封介质渗流与密封端面润滑液膜间的传质耦合关系,建立了一种多孔质机械密封的流体润滑模型,采用有限单元法求解液膜润滑方程和多孔质内部渗流控制方程,研究了膜厚、渗透率、多孔质环几何参数对密封性能的影响规律,揭示了多孔质机械密封的工作机理。结果表明：多孔质机械密封依靠流体静压效应在密封端面成膜,相较于普通平行端面密封,其液膜承载力和轴向刚度更大;随多孔质渗透率的增大,多孔质机械密封泄漏率和开启力逐渐增大,而液膜刚度逐渐减小;液膜厚度的增大会导致泄漏率的增大和开启力的减小,而液膜刚度先增大后减小,且不同渗透率下的最大刚度分别对应不同的膜厚值。研究结果可为多孔质机械密封的工程设计提供新的思路和理论指导。     

一种自适应柱状密封气膜特性分析

提出一种自适应柱状气膜密封,构建气膜-密封环为研究对象,考虑了偏心间隙发散问题,并定义Rayleigh台阶对气膜周期的突变性,建立了气膜雷诺方程和膜厚变化函数关系式的动力润滑数值模型,获得了摩擦副气膜润滑特性,研究结果表明：气膜力随转速和压力升高而增加,泄漏量随压力升高而增加但是随转速增加而下降,说明密封内部压力流占主导地位。随后,利用曲面槽型雕刻技术,结合高速试验台对密封进行测试,结果表明：理论计算模型与试验结果吻合度较高,斜槽区域存在更多擦痕与磨损,说明斜槽浮动性弱于直列槽;但斜槽的切向流动小于直列槽,导致斜槽泄漏量小于直列槽。该研究成果为自适应柱状气膜密封的气体流动规律和应用提供了理论基础。