CN112149327B - 一种基于仿生的迷宫密封流-固-热多场分析及承载隔热性能表征方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于仿生的迷宫密封流‑固‑热多场分析及承载隔热性能表征方法，具体涉及工程仿生学领域。该方法通过提取外壳结构及材料性能参数，简化外壳结构建立仿生原型结构；利用ANSYS仿真软件，结合仿生原型结构，建立迷宫密封流‑固‑热多场分析模型，计算迷宫密封流‑固‑热多场分析模型中间隙环流的流场结果；通过将间隙环流的流场结果传递至定子表面，固定定子两端，计算定子的温度场、应力场和变形量，表征仿生原型结构的承载和隔热性能；再改变仿生原型结构中各材料层的排列顺序和层厚度比，模拟验证仿生原型结构应用于迷宫密封结构在承载和隔热性能上的优越性。本发明将仿生研究与工程实例相结合，为工程设计提供了有效参考。

Description

一种基于仿生的迷宫密封流-固-热多场分析及承载隔热性能 表征方法
技术领域
本发明涉及工程仿生学领域，具体涉及一种基于仿生的迷宫密封流-固-热多场分析及承载隔热性能表征方法。
背景技术
旋转机械转子与定子间的密封结构作为汽轮机、泵和压缩机等透平机械的重要组成部件，随着透平机械工作环境向高温、高转速、高压力方向的发展，密封结构的流体介质泄漏愈加严重。
为防止密封流体向外泄露，将迷宫密封应用于透平机械中。在高温和高转速环境下，迷宫密封间隙环流中的湍流增加了机械定子与转子壁面之间的摩擦阻力，产生热量造成间隙环流温度升高。同时，由于机械运转中的密封结构内部温度上升，迷宫密封与泄漏流间存在强烈的换热，设计过程中若忽视迷宫密封的传热特性，使得间隙环流将热量快速扩散至密封结构外壳，这对密封结构是非常不利的。
因此，需要针对迷宫密封进行流-固-热多场分析并对其承载隔热性能进行表征，使得迷宫密封结构同时满足承载和隔热性能的要求。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，提出了一种基于仿生的迷宫密封流-固-热多场分析及承载隔热性能表征方法。
本发明具体采用如下技术方案：
一种基于仿生的迷宫密封流-固-热多场分析及承载隔热性能表征方法，具体包括以下步骤：
步骤1，根据蜗牛外壳中各层状结构的材料性能参数，简化蜗牛外壳的层状结构，基于简化后的蜗牛外壳建立仿生原型结构，确定仿生原型结构中层状结构的材料排布及材料性能参数；
步骤2，利用ANSYS仿真软件，建立由间隙环流、定子和转子组成的迷宫密封流-固-热多场分析模型，根据仿生原型结构设计定子表面，并对迷宫密封流-固-热多场分析模型进行网格划分；
步骤3，设置迷宫密封流-固-热多场分析模型中间隙环流的边界条件以及转子的转速大小，间隙环流边界条件包括间隙环流入口、间隙环流出口以及流固耦合面的边界条件，利用ANSYS软件模拟，计算迷宫密封流-固-热多场分析模型中间隙环流的流场结果，包括压力场和温度场；
步骤4，将间隙环流模型流场结果经流固耦合面传递至定子表面，固定定子两端，利用ANSYS软件模拟，结合定子自重，计算定子的温度场、应力场以及变形量，表征仿生原型结构的承载性能和隔热性能；
步骤5，改变仿生原型结构的层状结构排列顺序，确定修改后的仿生结构，根据该仿生结构设置迷宫密封流-固-热多场分析模型的定子表面，利用ANSYS软件模拟，结合定子自重，计算定子的温度场、应力场以及变形量，表征改变层状结构排列顺序后仿生结构的承载性能和隔热性能；
步骤6，改变仿生原型结构的层厚度比，确定修改后的仿生结构，根据该仿生结构设置迷宫密封流-固-热多场分析模型的定子表面，利用ANSYS软件模拟，结合定子自重，计算定子的温度场、应力场以及变形量，表征改变层厚度比后仿生结构的承载性能和隔热性能；
步骤7：对比步骤4、步骤5和步骤6中确定的承载性能和隔热性能表征结果，验证仿生原型结构的优越性。
优选地，所述步骤1中，材料性能参数包括厚度、密度、导热系数、比热、热膨胀系数和弹性模量。
优选地，所述步骤3中，设置间隙环流为标准k-ε湍流模型，间隙环流内流体介质设置为水，间隙环流入口轴向流速设置为5m/s，间隙环流出口设置为静压；迷宫密封流-固-热多场分析模型中，间隙环流与转子表面接触，接触壁面温度设置为90℃，间隙环流与定子表面接触，接触壁面温度设置为20℃，转子的转速设置为500r/min。
本发明具有如下有益效果：
本发明从仿生角度出发对自然界生物自身结构及材料进行研究，充分利用自然选择的结果，通过将仿生学与流-固-热多场分析相结合，利用ANSYS仿真软件构建迷宫密封流-固-热多场分析模型，根据仿真结果表征仿生结构的承载性能和隔热性能，验证仿生结构的优越性；本发明通过将仿生原型结构应用至工程实例中，使得迷宫密封结构同时满足承载性能和隔热性能的要求，为工程设计提供了有效参考。
附图说明
图1为迷宫密封流-固-热多场分析模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
一种基于仿生的迷宫密封流-固-热多场分析及承载隔热性能表征方法，具体包括以下步骤：
步骤1，研究发现生活在印度深海火山喷口的鳞角腹足蜗牛，其外壳具有很强的耐磨性、耐热性和抗攻击性能，通过对鳞角腹足蜗牛外壳结构进行分析，得到鳞角腹足蜗牛外壳为五层不同材料层组成的多层夹芯结构，提取鳞角腹足蜗牛外壳各层结构的材料性能参数，包括材料的厚度、密度、导热系数、比热、热膨胀系数和弹性模量，将鳞角腹足蜗牛外壳简化为三层层状结构，分别为外层OL、中间层ML和内层CLL，各层结构的材料性能参数如表1所示。
表1蜗牛壳三层层状结构材料性能参数
Figure BDA0002659885040000031
基于简化后的蜗牛外壳三层夹心结构(OL-ML-CLL)建立仿生原型结构，包括仿生原型结构中各层状结构的排列顺序及材料性能参数。
步骤2，利用ANSYS仿真软件，建立由间隙环流、定子和转子组成的迷宫密封流-固-热多场分析模型，根据仿生原型结构设计迷宫密封流-固-热多场分析模型的定子表面，并对迷宫密封流-固-热多场分析模型进行网格划分。
步骤3，设置迷宫密封流-固-热多场分析模型中间隙环流的边界条件以及转子的转速大小，间隙环流的边界条件包括间隙环流入口、间隙环流出口以及流固耦合面的边界条件，其中，设置间隙环流为标准k-ε湍流模型，间隙环流内流体介质设置为水，间隙环流入口轴向流速设置为5m/s，间隙环流出口设置为静压，迷宫密封流-固-热多场分析模型中，间隙环流分别与转子和定子的表面相接触，设置间隙环流与转子接触壁面温度为90℃，设置间隙环流与定子接触壁面温度为20℃，转子的转速设置为500r/min。
利用ANSYS软件模拟，计算迷宫密封流-固-热多场分析模型中间隙环流的流场结果，包括压力场和温度场。
步骤4，将间隙环流的流场结果经流固耦合面传递至定子表面，固定定子两端，利用ANSYS软件模拟，结合定子自重，计算定子的温度场、应力场以及变形量，表征仿生原型结构的承载性能和隔热性能。
步骤5，改变仿生原型结构的层状结构排列顺序，确定修改后的仿生结构，根据该仿生结构设置迷宫密封流-固-热多场分析模型的定子表面，利用ANSYS软件模拟，结合定子自重，计算定子的温度场、应力场以及变形量，表征改变层状结构排列顺序后仿生结构的承载性能和隔热性能；
步骤6，改变仿生原型结构的层厚度比，确定修改后的仿生结构，根据该仿生结构设置迷宫密封流-固-热多场分析模型的定子表面，利用ANSYS软件模拟，结合定子自重，计算定子的温度场、应力场以及变形量，表征改变层厚度比后仿生结构的承载性能和隔热性能；
步骤7，通过对比步骤4、步骤5和步骤6中确定的承载性能和隔热性能表征结果，发现采用步骤4中仿生原型结构时的承载性能和隔热性能最好，从而验证了基于简化后鳞角腹足蜗牛外壳设置的仿生原型结构的优越性。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于仿生的迷宫密封流-固-热多场分析及承载隔热性能表征方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1，根据蜗牛外壳中各层状结构的材料性能参数，简化蜗牛外壳的层状结构，基于简化后的蜗牛外壳建立仿生原型结构，确定仿生原型结构中层状结构的材料排布及材料性能参数；
步骤2，利用ANSYS仿真软件，建立由间隙环流、定子和转子组成的迷宫密封流-固-热多场分析模型，根据仿生原型结构设计定子表面，并对迷宫密封流-固-热多场分析模型进行网格划分；
步骤3，设置迷宫密封流-固-热多场分析模型中间隙环流的边界条件以及转子的转速大小，间隙环流边界条件包括间隙环流入口、间隙环流出口以及流固耦合面的边界条件，利用ANSYS软件模拟，计算迷宫密封流-固-热多场分析模型中间隙环流的流场结果，包括压力场和温度场；
步骤4，将间隙环流的流场结果经流固耦合面传递至定子表面，固定定子两端，利用ANSYS软件模拟，结合定子自重，计算定子的温度场、应力场以及变形量，表征仿生原型结构的承载性能和隔热性能；
步骤5，改变仿生原型结构的层状结构排列顺序，确定修改后的仿生结构，根据修改后的仿生结构设置迷宫密封流-固-热多场分析模型的定子表面，利用ANSYS软件模拟，结合定子自重，计算定子的温度场、应力场以及变形量，表征改变层状结构排列顺序后仿生结构的承载性能和隔热性能；
步骤6，改变仿生原型结构的层厚度比，确定修改后的仿生结构，根据修改后的仿生结构设置迷宫密封流-固-热多场分析模型的定子表面，利用ANSYS软件模拟，结合定子自重，计算定子的温度场、应力场以及变形量，表征改变层厚度比后仿生结构的承载性能和隔热性能；
步骤7：对比步骤4、步骤5和步骤6中确定的承载性能和隔热性能表征结果，验证仿生原型结构的优越性；
所述步骤3中，设置间隙环流为标准k-ε湍流模型，间隙环流内流体介质设置为水，间隙环流入口轴向流速设置为5m/s，间隙环流出口设置为静压；迷宫密封流-固-热多场分析模型中，间隙环流与转子表面接触，接触壁面温度设置为90℃，间隙环流与定子表面接触，接触壁面温度设置为20℃，转子的转速设置为500r/min。
2.如权利要求1所述的一种基于仿生的迷宫密封流-固-热多场分析及承载隔热性能表征方法，其特征在于，所述步骤1中，材料性能参数包括厚度、密度、导热系数、比热、热膨胀系数和弹性模量。
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