机械工程学报 ›› 2026, Vol. 62 ›› Issue (14): 402-414.doi: 10.3901/JME.260475
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黄森1, 张国渊1, 王杰1, 赵洋洋1, 赵伟刚2, 王俊倩1
HUANG Sen1, ZHANG Guoyuan1, WANG Jie1, ZHAO Yangyang1, ZHAO Weigang2, WANG Junqian1
摘要: 非接触动静结合型机械密封是液体火箭发动机高速涡轮泵的关键核心部件,其端面间形成的液膜能有效防止碰磨、显著提升工作寿命;但液膜受高速、高压、易汽化且低粘度介质等极端工况影响极易产生液-气两相流,其对整机安全运行带来威胁,且该类密闭空间中的微通道两相流形成机理尚不明确,也无适配的可借鉴模型和试验结果。采用数值仿真和试验相结合的方法对微小间隙内沸腾两相流的形成以及演化进行研究,提出基于VOF理论的间隙沸腾两相流模型,搭建一套基于高速摄像系统的介质沸腾可视化试验平台,探究间隙内水汽化过程的气泡形成规律及工况参数(温度、流量、流速等)对液气相变行为表征参数(气相占比、换热系数、起始饱和沸腾点等)的影响特征。结果表明,入口温度较高、流速较小时,随热流密度增加,气相占比增大,两相流型更偏向出现泡状流及弹状流;随入口温度增加、流量减小,平均换热系数增大,起始饱和沸腾点向入口靠近。多组试验和仿真结果对比表明理论模型具有一定的合理性,在不同温度和流量下平均换热系数和起始饱和沸腾点的最小、平均相对误差为7.5%和2.6%、20.3%和15.1%。研究结果将为获得机械密封微通道间隙内两相流的形成机理以及保证涡轮泵的安全运行提供重要的理论和试验价值。
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