石油化工產品的(de)(de)(de)生產過程(cheng)中，特別是(shi)高(gao)(gao)壓不(bu)銹鋼(gang)反應(ying)釜中常用的(de)(de)(de)端(duan)面(mian)(mian)(mian)密(mi)封(feng)(feng)裝(zhuang)置，其原理是(shi)利用高(gao)(gao)速旋(xuan)轉的(de)(de)(de)動環(huan)(huan)和(he)(he)靜(jing)環(huan)(huan)之間(jian)產生的(de)(de)(de)流(liu)(liu)(liu)體動壓來分離動、靜(jing)環(huan)(huan)，從而(er)實(shi)現(xian)(xian)了(le)(le)端(duan)面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)(de)非(fei)接觸性(xing)密(mi)封(feng)(feng)。在運行過程(cheng)中，因(yin)動、靜(jing)環(huan)(huan)產生的(de)(de)(de)機(ji)械變(bian)形(xing)和(he)(he)摩(mo)擦(ca)產生的(de)(de)(de)熱變(bian)形(xing)，引(yin)起端(duan)面(mian)(mian)(mian)密(mi)封(feng)(feng)介(jie)質的(de)(de)(de)泄(xie)漏(lou)，造成環(huan)(huan)境污染。密(mi)封(feng)(feng)裝(zhuang)置的(de)(de)(de)特性(xing)直(zhi)接受泄(xie)漏(lou)量大小的(de)(de)(de)影(ying)響，在石油化工行業要求無污染、無泄(xie)漏(lou)，特別是(shi)對(dui)(dui)易(yi)(yi)燃、易(yi)(yi)爆(bao)、高(gao)(gao)溫(wen)、高(gao)(gao)壓、有毒和(he)(he)腐(fu)蝕的(de)(de)(de)介(jie)質，尤其嚴格。為此對(dui)(dui)端(duan)面(mian)(mian)(mian)密(mi)封(feng)(feng)的(de)(de)(de)泄(xie)漏(lou)問題備(bei)受關注。在這(zhe)方面(mian)(mian)(mian)國內(nei)外學者做了(le)(le)大量工作(zuo)，如文獻所示：[1]對(dui)(dui)機(ji)械密(mi)封(feng)(feng)流(liu)(liu)(liu)場(chang)和(he)(he)熱行為進行了(le)(le)實(shi)驗研究。[2]利用fluid軟(ruan)件對(dui)(dui)機(ji)械密(mi)封(feng)(feng)腔內(nei)流(liu)(liu)(liu)場(chang)和(he)(he)溫(wen)度(du)(du)場(chang)進行了(le)(le)數(shu)值模(mo)(mo)擬(ni)；[3]用CFD軟(ruan)件對(dui)(dui)一元(yuan)流(liu)(liu)(liu)動進行了(le)(le)數(shu)值模(mo)(mo)擬(ni)；[4]提出機(ji)械密(mi)封(feng)(feng)的(de)(de)(de)動態(tai)特性(xing)參數(shu)的(de)(de)(de)表達(da)式和(he)(he)計(ji)算方法(fa)。本(ben)文用有限元(yuan)軟(ruan)件ANSYS對(dui)(dui)端(duan)面(mian)(mian)(mian)密(mi)封(feng)(feng)的(de)(de)(de)壓力場(chang)和(he)(he)速度(du)(du)場(chang)進行了(le)(le)研究分析(xi)，計(ji)算了(le)(le)泄(xie)露量。通過現(xian)(xian)場(chang)考證，對(dui)(dui)不(bu)銹鋼(gang)反應(ying)釜端(duan)面(mian)(mian)(mian)密(mi)封(feng)(feng)的(de)(de)(de)設(she)計(ji)和(he)(he)運行過程(cheng)操作(zuo)具有現(xian)(xian)實(shi)意義。

一、端面密封間隙(xi)流動的邊(bian)界問題

1.較優微(wei)分(fen)方程式的控制

由于(yu)動(dong)靜(jing)環之間(jian)(jian)（即端面間(jian)(jian)隙）發生的(de)變形(xing)屬于(yu)楔形(xing)間(jian)(jian)隙，分析得知：可假設層間(jian)(jian)流體流動(dong)的(de)控制(zhi)方程是(shi)在(zai)以下幾(ji)點的(de)基礎(chu)上建立的(de)

（1）動(dong)靜環之(zhi)間的流(liu)動(dong)為層流(liu)；

（2）符合牛頓粘性定律(lv)，所以屬于牛頓流體；

（3）據壓力和粘性(xing)力相比，流體的慣性(xing)力可忽略不計；

（4）可設定粘度(du)和壓力沿層(ceng)間膜厚方向(xiang)固定，即∂p/∂y=00,∂u（5）流動過程假定穩態(tai)。

根據(ju)上(shang)述假定(ding)可以得(de)出(chu)楔形間(jian)隙中流體流動的二(er)維方程：

雷諾(nuo)方程：∂ρh3∂p/【∂x（μ∂x）】+∂ρh3∂p/【∂z（μ∂z）】=6U∂(ρh)/∂x

2.計算楔形(xing)間(jian)隙中的(de)泄漏量

根據(2)式(shi)計算得(de)：Q=vA（2）

式中:A——楔形(xing)出口(kou)的(de)橫截面積

v——楔(xie)形出口端流體(ti)的速度(du)

二、求解邊值的數值

1.劃分網格，根據假定條件建立模型，用大型軟件ANSYS處理程序PREP7,選擇單元類型，確定層間流體參數，建立楔形間隙流動場的有限元模型，并進行網格劃分。采用2D.fluid141單元類型自下向上建立模型，節點共有368點和270個單元。因層間液膜厚度很薄，為了清楚描述建模，將楔形膜厚擴大12倍。得到圖1所示有限元網格模型圖：

2.設定載荷并求解

通(tong)過分析(xi)選(xuan)項(xiang)、定義(yi)類型、加載(zai)數據(ju)和加載(zai)步選(xuan)項(xiang)，較(jiao)后進行有限元求解。當全部添加了載(zai)荷(he)數據(ju)后利用有限元軟(ruan)件(jian)自動(dong)求解，將所得速度、壓力(li)等結果存入文(wen)件(jian)中(zhong)并做后處(chu)理。

4.處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)結果通過(guo)(guo)圖形界(jie)面得到(dao)計(ji)算結果，并對數據(ju)(ju)(ju)進行分析(xi)計(ji)算包括(kuo)速度和壓力(li)等(deng),輸出形式有兩種，即數據(ju)(ju)(ju)列(lie)表和圖形顯(xian)示(shi)。處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)數據(ju)(ju)(ju)的(de)方法是(shi)：通過(guo)(guo)后處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)器POST1復查整個模型(xing)的(de)某一部分特定(ding)數據(ju)(ju)(ju)集的(de)結果；時(shi)間歷程(cheng)后處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)器POST28,可(ke)跨多個數據(ju)(ju)(ju)集復查選(xuan)擇(ze)的(de)部分模型(xing)數據(ju)(ju)(ju)。因本文計(ji)算分析(xi)是(shi)層流(liu)穩態流(liu)場，因此可(ke)采用后處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)器POST1復查整個模型(xing)的(de)某一部分中任意一個特定(ding)數據(ju)(ju)(ju)集的(de)后處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)方法。

三、案例計算分析

端面楔形液膜長(chang)L=6mm,寬(kuan)度(du)b=0.02mm,B=0.05mm,試驗(yan)介質為常溫水，設定(ding)粘(zhan)度(du)為0.001Pa.s，密度(du)1000kg/m3,設端面楔形進(jin)口(kou)壓(ya)強為0.2MPa,出口(kou)壓(ya)強0.1MPa。

1.計算分析壓力場

用ANSYS求解過程中，加壓力載荷，采用后處理器post1。即可獲得各節點的壓力分布圖，如圖2所示，單位為MPa。從圖得知：壓力的變化隨液膜沿楔形長度方向減小，呈不規則分布，出口較小，進口較大，沿橫截面壓力分布比較規則。

2.計算分析速度場

節點的速度數據是本案例的基本計算數據。因過程分析屬于穩態的速度場，所以后處理可用POST1進行。由此可得到速度矢量圖，如圖3所示。X向速度場分布圖4和Y向速度場分布圖5，速度單位m/s。

從圖得(de)知(zhi)：速(su)(su)度(du)(du)的變(bian)化(hua)隨液膜沿楔形長度(du)(du)方(fang)(fang)向不規(gui)則分(fen)布，在出口處和進口處都有Y向較(jiao)小和較(jiao)大(da)的速(su)(su)度(du)(du)值(zhi)，速(su)(su)度(du)(du)較(jiao)大(da)值(zhi)在出口X方(fang)(fang)向呈(cheng)非線性(xing)分(fen)布，中間部分(fen)速(su)(su)度(du)(du)變(bian)化(hua)較(jiao)平穩，在出進口處速(su)(su)度(du)(du)變(bian)化(hua)較(jiao)大(da)。

3.計算泄漏量

據公式(shi)（2）Q＝vA，將出(chu)口液(ye)體的速度和出(chu)口端面的橫(heng)截面積(ji)代入可得如下數據：Q=0.000404ml/min,

通過(guo)(guo)分析(xi)比(bi)較與實(shi)際(ji)運行過(guo)(guo)程中的測量(liang)結果基本相同。

結論

分析釜式反應器(qi)端(duan)面楔(xie)形密封面間(jian)隙內(nei)的(de)流(liu)場變(bian)化，且難以觀(guan)察的(de)楔(xie)形層(ceng)流(liu)間(jian)的(de)場內(nei)變(bian)化，可利用大型有限元軟件ANSYS8.0進行數(shu)值模擬，并可實現計算過程(cheng)的(de)可視化，從而可得速(su)度場和壓(ya)(ya)力場云圖。云圖上可清楚看出壓(ya)(ya)力和速(su)度的(de)分布情(qing)況(kuang)，為研(yan)究設計減(jian)少端(duan)面密封楔(xie)形間(jian)隙的(de)泄漏量提供了理論依(yi)據。對確保(bao)系統的(de)長期運(yun)轉，特別是高壓(ya)(ya)釜式反應器(qi)端(duan)面密封的(de)可靠性具有現實意義。

從楔形間隙泄漏量(liang)的(de)計算結果看，影(ying)響泄漏量(liang)的(de)關鍵因(yin)素(su)速度和變形量(liang)。所(suo)以(yi)在設計釜式(shi)反應器端面密封和系統運轉操作過程中，要盡可能(neng)控制(zhi)變形量(liang)，已(yi)達(da)到(dao)較終控制(zhi)泄漏量(liang)的(de)目的(de)。