刷式密封流-固-热耦合模型建立及密封系统动力学研究

Brush seal is widely used in the field of aeroengine, etc. The mechanical behavior of brush seal is a fluid-solid-heat coupling dynamic problem with nonlinear friction action. Theoretical study on the performance of brush seal at home and abroad is very scarce, and all research is basically based on the theory of cold and linear. Brush seal design is based on all kinds of test and research, and cannot conduct a comprehensive measurement of structure parameters in the brush seal. And there are a series of problems such as failing to consider the friction heat temperature rise effect. In this study, (1) the mechanism of fluid-solid-heat coupling of brush seal will be studied, the 3-D staggered tube bundle model of brush seal will be established, the formula of clearance leakage will be deduced and the relationship between the geometric parameters, the clearance leakage will be established, and numerical simulation of the brush seal’s flow condition will be carried on. (2) According to the adhesive wear mechanism, considering the effect of temperature field on the wear, a multilevel low hysteresis brush seal wear model was established. (3) Considering the heat transfer between the brush and the flow field, a 3-D heat conduction model with heat source will be established, and the effects of various factors on the dynamic performance of the brush seal will be studied. (4) A three phase porous media model will be established, and the numerical simulation will be performed to simulate the flow behavior of multi stage low hysteresis brush seal, and the cooperative working criterion of multi brush seal will be obtained. The development of the study has important theoretical and practical value on the design of the brush seal, the study of the heat transfer characteristics and the establishment of the mathematical model of high precision.

刷式密封在航空发动机等领域应用广泛。刷式密封是一个非线性摩擦力作用下的流固热耦合动力学问题。目前国内外对刷式密封性能的研究基本上都是基于冷态及线性理论。刷式密封的设计未能考虑摩擦热温升效应等一系列问题。项目进行以下研究：（1）对刷式密封流固热耦合作用机理进行研究，建立三维叉排管束流固耦合模型，推导出间隙泄露公式，建立几何参数与间隙泄漏量之间的关系，分析刷式密封的流场特性；（2）根据粘着磨损机理，考虑温度场对磨损的影响，建立多级低滞后刷式密封磨损模型；（3）考虑刷丝和流场之间的换热，结合摩擦模型和三维定常多孔介质模型，建立具有热源的三维导热模型，研究各因素对刷式密封动力学性能的影响；（4）建立多级刷式密封三维多孔介质模型，对多级低滞后刷式密封的流动情况进行数值模拟，建立多级协同工作准则。研究的开展，对于刷式密封的设计、泄漏传热特性的研究和高精度数学模型的建立有重要的理论和实用价值。

该项目原计划对刷式密封的流固热耦合问题进行研究，从多场耦合的数值模拟上阐明刷式密封的工作以及失效机理。项目进展顺利，前期采用2维叉排管束模型对刷式密封内部流动进行了初步探究。于2018年在《Tribology International》发表论文，采用2维叉排管束模型和欧拉数建立了刷式密封的承压模型，研究了欧拉数与刷丝间隙以及排列方式之间的关系。此后，在此基础上对刷式密封的迟滞效应开展研究，建立了有压差工况下的刷式密封迟滞效应有限元模型。.对于刷式密封的流动传热问题进行研究；研究了刷式密封结构的变化对于刷丝尖端温度的影响；并在随后研究了转子热膨胀造成的刷丝磨损问题，采用灰色预测模型对刷丝的磨损情况进行了预测。此后，提出了基于二维叉排管束模型并考虑气体压缩的影响建立刷式密封的多孔介质模型的方法；该方法结合了二维叉排管束与多孔介质模型的优点，可以用于刷式密封的设计与分析。至此完成了项目的预期目标。.此后，调整了研究方向，对准了湍流模型在刷式密封中的应用。近年来随着计算机技术的进步与发展，数值模拟成为了刷式密封设计与研究中的重要方法。因为刷丝与刷丝之间的间隙仅有几微米，所以刷式密封的内部流动问题属于微尺度流动，与宏观的绕流问题大不相同。基于上述原因研究湍流模型对微尺度管束模型的适用性。通过采用Micro-PIV试验以及2维叉排管束模型研究了湍流模型在刷式密封中的适用性，得出标准k-ε模型对流场的模拟最为准确。 .综上所述，本研究对刷式密封的设计与分析奠定了工作基础。对刷式密封的数值模拟分析的准确性进行了研究，提供了对刷式密封的数值模拟的重要启示。.项目资助发表SCI论文4篇，EI会议论文3篇，中文核心论文4篇，实用新型专利3篇。培养博士生2名，其中一人已经取得博士学位。培养硕士生6名，其中2人已取得硕士学位，4人在读。