超临界二氧化碳（SCCO2）阶梯形T型槽干气密封件的多物理场耦合仿真与密封性能优化

《The Journal of Supercritical Fluids》：Multi-physics coupling simulation and sealing performance optimization of supercritical CO 2 stepped T-groove dry gas seals

超临界二氧化碳干气密封的stepped T-groove结构优化研究，采用有限元分析建立热流体固耦合模型，分析密封环变形与气膜流动的耦合机制，发现沟槽深度比影响气膜压力和泄漏率，最佳参数范围为0.4-0.6。

　　本研究聚焦于超临界二氧化碳（S-CO?）环境下，阶梯式T型沟槽干气密封的热流体润滑特性与热力学性能。在干气密封技术中，密封环与密封端面之间的微尺度气体膜流动是影响密封性能的关键因素。S-CO?作为一种具有独特热物理特性的工质，其高密度、低粘度和高扩散性使其在高效热能转换系统中展现出显著优势。然而，由于S-CO?在超临界状态下的强非线性特性，特别是在临界点附近，其热力学行为与传统气体工质存在显著差异，这对密封系统的稳态与动态性能产生了深远影响。

干气密封通常通过在密封环端面加工动态压力沟槽，以产生薄而刚性的气体膜，从而实现密封面的有效隔离。这种气体膜不仅能够减少泄漏，还能降低密封面之间的磨损。然而，密封环在运行过程中会受到热力与机械载荷的共同作用，导致复杂的变形现象。轻微的变形可能对密封性能影响不大，但显著的变形可能导致密封面弯曲，引发局部磨损，进而影响整个系统的运行效率与可靠性。

本研究提出了一种优化后的阶梯式T型沟槽结构，通过对动态压力沟槽深度的调整，探索其在S-CO?工况下的性能表现。该结构的设计旨在提升气体膜的压力与开启动作力，同时控制泄漏量。通过建立双向热-流体-固体耦合模型，结合有限元分析方法，研究团队深入探讨了气体膜在密封间隙内的温度分布与流动演变规律，并评估了不同沟槽深度比例对密封性能的影响。研究结果表明，随着沟槽深度比例的增加，气体膜压力和开启动作力显著提升，但泄漏量也随之增加。这一发现为优化阶梯式T型沟槽干气密封的设计提供了理论依据。

此外，研究还揭示了操作条件对密封性能的影响。在高温、高压和高速等极端工况下，气体膜的湍流与离心惯性效应变得更加显著，这些因素会进一步影响密封的整体性能。通过对比不同沟槽几何参数对密封性能的影响，研究发现：开启动作力、泄漏量和摩擦力随着环向沟槽比例的增加而提高，但随着径向沟槽比例的增加而降低；相反，开启动作力与泄漏量之比则表现出相反的趋势。因此，在研究条件下，环向和径向沟槽比例控制在0.4至0.6之间时，能够实现最佳的密封性能。

研究团队还分析了密封环的变形特性，探讨了其与气体膜流动之间的相互作用。通过模拟计算，研究发现密封环的变形对气体膜压力分布具有重要影响，尤其是在非沟槽区域，变形可能削弱气体膜的压力。同时，热效应对密封环的变形模式也有显著影响，高温和热梯度会加剧密封端面的变形，从而降低开启动作力，但热粘性效应有助于抑制泄漏。这些发现表明，密封环的变形不仅受到机械载荷的制约，还与气体膜的热力学行为密切相关。

为了更全面地评估密封性能，研究团队还结合了热-流体-固体耦合模型，模拟了S-CO?干气密封的多物理场相互作用。该模型考虑了CO?的相变行为，并通过有限元分析方法实现了对密封系统热、流体和结构场的耦合模拟。研究结果不仅揭示了气体膜与密封环变形之间的耦合机制，还为优化阶梯式T型沟槽干气密封的几何参数提供了理论支持。这种优化策略有助于提高密封系统的效率，降低泄漏风险，同时增强其在极端工况下的稳定性。

在当前的研究背景下，尽管已有大量关于干气密封的研究，但大多数集中在传统工质下的密封系统，较少关注S-CO?环境下的特殊性能表现。因此，本研究的提出具有重要的理论和实践意义。通过建立适用于S-CO?工况的多物理场耦合模型，研究团队填补了该领域研究的空白，为未来相关密封技术的发展提供了新的思路和方法。

本研究的创新点在于引入了阶梯式T型沟槽结构，并通过双向热-流体-固体耦合分析，系统地评估了其在S-CO?环境下的性能表现。相较于传统的螺旋沟槽结构，T型沟槽在某些工况下表现出更优的密封性能，尤其是在降低泄漏量和适应双向旋转方面。然而，T型沟槽的流体动力效应相对较弱，因此，通过优化沟槽深度和几何参数，可以提升其在S-CO?工况下的适用性。研究团队通过对不同沟槽深度比例的模拟分析，确定了最佳的优化范围，为实际工程应用提供了科学依据。

从工程应用的角度来看，S-CO?干气密封技术在高效能源系统中具有广阔前景。由于其高热转化效率和紧凑的循环系统设计，S-CO?被广泛应用于先进动力系统中，如超临界二氧化碳布雷顿循环系统。然而，这种工质的特殊性也带来了诸多挑战，特别是在密封设计方面。传统的密封优化方法难以直接应用于S-CO?工况，因此需要结合多物理场耦合分析，以更全面地理解密封系统的动态行为。本研究的成果表明，阶梯式T型沟槽结构在S-CO?工况下能够有效提升密封性能，同时保持较低的泄漏量，这为实际工程中密封系统的优化设计提供了重要参考。

在实际应用中，密封系统的性能不仅取决于其结构设计，还受到操作条件的显著影响。例如，较高的入口压力和温度会导致气体膜的湍流效应增强，从而影响密封的稳定性和效率。此外，高速旋转也会加剧离心惯性效应，改变气体膜的流动模式。因此，研究团队在分析中充分考虑了这些因素，并通过多物理场耦合模型，系统地评估了不同操作条件下密封性能的变化趋势。这种综合分析方法有助于工程师在实际设计过程中，根据具体工况选择最优的密封结构和参数配置。

研究团队还通过实验验证了部分理论模型的准确性，为未来密封系统的优化设计奠定了坚实基础。例如，Li等人通过实验研究了内螺旋沟槽密封的性能，验证了理论模型的有效性。这种实验与模拟相结合的方法，不仅提高了研究的可靠性，还为后续研究提供了可借鉴的模式。此外，研究团队还探索了非传统沟槽设计，如“八”字形沟槽结构，进一步拓展了干气密封的几何设计可能性。

总体而言，本研究通过多物理场耦合分析方法，系统地探讨了阶梯式T型沟槽干气密封在S-CO?环境下的性能表现。研究结果不仅揭示了气体膜与密封环变形之间的复杂关系，还为优化密封结构提供了理论支持。随着S-CO?技术在能源领域的不断发展，对密封系统性能的深入研究将成为推动该技术应用的重要环节。未来的研究可以进一步探索不同沟槽几何参数对密封性能的影响，以及在更复杂工况下的性能表现，以期实现更高效的密封系统设计。