基于各向异性多孔介质模型的指尖密封流动与传热研究

指尖密封是一种先进、高效的密封方式。为了比较准确地预测指尖密封内部复杂的稳态和动态流动、传热、变形问题，本申请项目拟对指尖密封孔隙率、流体动量损失源项和固体导热系数的各向异性进行理论分析，在此基础上建立考虑指尖密封流动、传热各向异性的多孔介质模型。再通过基本型指尖密封试验研究，对理论模型参数进行修正；然后根据数值计算结果与试验数据的对比，进一步调整和完善各向异性多孔介质模型。在稳态多孔介质模型研究的基础上，分析指梁变形对孔隙率以及指尖密封流动、传热的影响，并发展适用于动压型指尖密封的流体流动－传热－应变的耦合计算方法。本项目研究可为航空发动机或其它燃气涡轮机械的指尖密封性能预测提供合理的数学模型和较高精度的方法，为指尖密封的工程应用提供技术基础。

指尖密封是一种具有广泛应用前景的先进、高效的密封技术。本项目旨在建立指尖密封各向异性多孔介质流动和传热数学模型并发展指尖密封流动-传热-应变的耦合模拟方法，为深入开展指尖密封的流动与传热研究提供机理模型和较高精度的方法。目前本项目计划的所有研究任务已完成，预期的研究目标也已实现。项目研究取得的主要成果有：. （1）建立了指尖密封片组结构各向异性多孔介质传热的数学模型。在指尖密封多孔介质流动模型的基础上，通过对指尖密封各向异性导热进行理论分析，分别针对指梁和指尖靴区域的表征体元，推导了主轴导热系数矩阵，再经过转换得到计算坐标系下的导热系数张量，由此获得了适用于指尖密封片组的各向异性导热数学模型。同时，还将轴向指尖密封片之间的接触热阻数学模型从接触间隙为真空的模型发展为接触间隙为静止空气的模型，构建了计算坐标系下考虑轴向接触热阻的导热系数张量。. （2）发展了指尖密封片组结构各向异性多孔介质流动、传热的数值计算方法，并数值分析了进出口压差、转速等对基本型指尖密封片组结构内流动、传热特性的影响规律。基于商业CFD软件FLUENT，利用FLUENT中的UDS（自定义标量）开发功能，仿照能量方程添加一个UDS输运方程，并将各向异性导热系数张量和边界条件通过UDF输入，将此UDS方程取代能量方程进行求解，从而对多孔介质指尖密封的各向异性导热进行数值计算。. （3）开展了基本型指尖密封的流动、传热特性试验研究，通过试验数据修正了建立的各向异性多孔介质模型。试验研究了转速、压差、配合间隙等因素对泄漏系数的影响。 通过试验数据分析得出的结论如下：① 泄漏系数都随转速的增加而减小；② 泄漏系数随压差的增加而变大，并逐渐趋于平衡；③ 泄漏系数随配合间隙的增大而增加。在数据分析中还得出密封的泄漏特性受试验的初始状态和试验的连续性影响较大。. （4）发展了指尖密封片组结构内流体流动-传热-应变耦合的数值分析方法。项目设计了带浮升力垫片的指尖密封结构，并建立了三维计算模型，对其泄漏和浮升力特性进行了数值研究，分析了压差等因素对泄漏量的影响，还分析了浮升力垫片下表面附近的流线分布和下表面上的压力分布随密封间隙等因素的变化规律。. 项目已发表相关学术论文若干篇，并已投稿4篇。项目研究所取得的成果可为发动机先进密封性能的提高提供技术基础。