石油化工產品的生產過程中，特別是高壓不銹鋼反應釜中常用的端面密封裝置，其原理是利用高速旋轉的動環(huán)和靜環(huán)之間產生的流體動壓來分離動、靜環(huán)，從而實現(xiàn)了端面的非接觸性密封。在運行過程中，因動、靜環(huán)產生的機械變形和摩擦產生的熱變形，引起端面密封介質的泄漏，造成環(huán)境污染。密封裝置的特性直接受泄漏量大小的影響，在石油化工行業(yè)要求無污染、無泄漏，特別是對易燃、易爆、高溫、高壓、有毒和腐蝕的介質，尤其嚴格。為此對端面密封的泄漏問題備受關注。在這方面國內外學者做了大量工作，如文獻所示：[1]對機械密封流場和熱行為進行了實驗研究。[2]利用fluid軟件對機械密封腔內流場和溫度場進行了數(shù)值模擬；[3]用CFD軟件對一元流動進行了數(shù)值模擬；[4]提出機械密封的動態(tài)特性參數(shù)的表達式和計算方法。本文用有限元軟件ANSYS對端面密封的壓力場和速度場進行了研究分析，計算了泄露量。通過現(xiàn)場考證，對不銹鋼反應釜端面密封的設計和運行過程操作具有現(xiàn)實意義。
一、端面密封間隙流動的邊界問題
1.較優(yōu)微分方程式的控制
由于動靜環(huán)之間（即端面間隙）發(fā)生的變形屬于楔形間隙，分析得知：可假設層間流體流動的控制方程是在以下幾點的基礎上建立的
（1）動靜環(huán)之間的流動為層流；
（2）符合牛頓粘性定律，所以屬于牛頓流體；
（3）據(jù)壓力和粘性力相比，流體的慣性力可忽略不計；
（4）可設定粘度和壓力沿層間膜厚方向固定，即∂p/∂y=00,∂u（5）流動過程假定穩(wěn)態(tài)。
根據(jù)上述假定可以得出楔形間隙中流體流動的二維方程：
雷諾方程：∂ρh3∂p/【∂x（μ∂x）】+∂ρh3∂p/【∂z（μ∂z）】=6U∂(ρh)/∂x
2.計算楔形間隙中的泄漏量
根據(jù)(2)式計算得：Q=vA（2）
式中:A——楔形出口的橫截面積
v——楔形出口端流體的速度
二、求解邊值的數(shù)值
1.劃分網格，根據(jù)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(shù)，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(jié)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
通過分析選項、定義類型、加載數(shù)據(jù)和加載步選項，較后進行有限元求解。當全部添加了載荷數(shù)據(jù)后利用有限元軟件自動求解，將所得速度、壓力等結果存入文件中并做后處理。
4.處理結果通過圖形界面得到計算結果，并對數(shù)據(jù)進行分析計算包括速度和壓力等,輸出形式有兩種，即數(shù)據(jù)列表和圖形顯示。處理數(shù)據(jù)的方法是：通過后處理器POST1復查整個模型的某一部分特定數(shù)據(jù)集的結果；時間歷程后處理器POST28,可跨多個數(shù)據(jù)集復查選擇的部分模型數(shù)據(jù)。因本文計算分析是層流穩(wěn)態(tài)流場，因此可采用后處理器POST1復查整個模型的某一部分中任意一個特定數(shù)據(jù)集的后處理方法。
三、案例計算分析
端面楔形液膜長L=6mm,寬度b=0.02mm,B=0.05mm,試驗介質為常溫水，設定粘度為0.001Pa.s，密度1000kg/m3,設端面楔形進口壓強為0.2MPa,出口壓強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(jié)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(guī)則分布，出口較小，進口較大，沿橫截面壓力分布比較規(guī)則。
2.計算分析速度場
節(jié)點的速度數(shù)據(jù)是本案例的基本計算數(shù)據(jù)。因過程分析屬于穩(wěn)態(tài)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。
從圖得知：速度的變化隨液膜沿楔形長度方向不規(guī)則分布，在出口處和進口處都有Y向較小和較大的速度值，速度較大值在出口X方向呈非線性分布，中間部分速度變化較平穩(wěn)，在出進口處速度變化較大。
3.計算泄漏量
據(jù)公式（2）Q＝vA，將出口液體的速度和出口端面的橫截面積代入可得如下數(shù)據(jù)：Q=0.000404ml/min,
通過分析比較與實際運行過程中的測量結果基本相同。
結論
分析釜式反應器端面楔形密封面間隙內的流場變化，且難以觀察的楔形層流間的場內變化，可利用大型有限元軟件ANSYS8.0進行數(shù)值模擬，并可實現(xiàn)計算過程的可視化，從而可得速度場和壓力場云圖。云圖上可清楚看出壓力和速度的分布情況，為研究設計減少端面密封楔形間隙的泄漏量提供了理論依據(jù)。對確保系統(tǒng)的長期運轉，特別是高壓釜式反應器端面密封的可靠性具有現(xiàn)實意義。
從楔形間隙泄漏量的計算結果看，影響泄漏量的關鍵因素速度和變形量。所以在設計釜式反應器端面密封和系統(tǒng)運轉操作過程中，要盡可能控制變形量，已達到較終控制泄漏量的目的。
