端面粗糙度對(duì)螺旋淺槽機(jī)械密封液膜空化的影響*

陳匯龍 程 謙 韓 婷 付燕霞 周 濤 趙斌娟 楊敬江

(1.江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212013；2.上海凱泉泵業(yè)(集團(tuán))有限公司-鎮(zhèn)江水力研究中心 江蘇鎮(zhèn)江 212013；3.江蘇大學(xué)國(guó)家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心 江蘇鎮(zhèn)江 212013)

液膜空化是液體潤(rùn)滑軸承、機(jī)械密封備受關(guān)注和研究的現(xiàn)象。關(guān)于空化邊界條件的確定，DOWSON和TAYLOR[1]針對(duì)軸承列出了Sommerfeld、Reynolds、Half-Sommerfeld和Jakobsson-Floberg-Olsson(JFO)等4種邊界條件。NAU[2]在闡述了“蒸汽轉(zhuǎn)變”和“空化”的區(qū)別及其相似性的同時(shí)，提出了液膜空化邊界的解析計(jì)算方法。ELROD[3]研究認(rèn)為Sommerfeld邊界條件因與工程實(shí)際不符而很少被采用。之后，顧永泉[4]介紹了機(jī)械密封端面液膜空化現(xiàn)象、空化邊界的確定及其計(jì)算方法。潘曉梅等[5]分別運(yùn)用Reynolds、Half-Sommerfeld和JFO邊界條件研究了多孔端面機(jī)械密封(LST-MS)端面液膜空化現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)采用Half-Sommerfeld邊界條件的預(yù)測(cè)精度很差，而采用另2種邊界條件的預(yù)測(cè)精度十分接近。XUE等[6]研究發(fā)現(xiàn)JFO邊界條件預(yù)測(cè)的分離速度比Reynolds邊界條件預(yù)測(cè)結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)值。

在機(jī)械密封空化特性研究方面，QIU、WANG等[7-8]以LST端面密封為對(duì)象，研究了凹坑空化現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到了明顯的同心環(huán)狀汽化區(qū)。胡紀(jì)濱等[9]對(duì)徑向直線槽端面液膜空化進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)空化區(qū)域面積隨槽深的增大而減小。CHEN等[10]基于多相流空化模型和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，研究了動(dòng)壓型機(jī)械密封間隙液膜空化特性。郝木明等[11]針對(duì)螺旋槽上游泵送機(jī)械密封研究了工況參數(shù)對(duì)空化效應(yīng)和密封性能的影響規(guī)律。李振濤、楊文靜等[12-15]基于JFO空化邊界條件，研究揭示了螺旋槽造型密封端面空化機(jī)制、槽型參數(shù)對(duì)空化的誘發(fā)關(guān)系和空化對(duì)液膜穩(wěn)態(tài)特性的影響規(guī)律。陳匯龍、王彬等人[16-17]研究獲得了空化熱特性和微尺度效應(yīng)對(duì)機(jī)械密封性能的影響規(guī)律。吉華等人[18]揭示了空化效應(yīng)和動(dòng)壓效應(yīng)對(duì)微孔端面密封泄漏量的影響規(guī)律。馬學(xué)忠、孟祥鎧等[19-20]基于空化效應(yīng)研究了螺旋槽機(jī)械密封泄漏控制機(jī)制和液膜動(dòng)力學(xué)特性。陳文杰等[21]研究了織構(gòu)化圓孔端面密封表面粗糙度對(duì)泄漏量和空化區(qū)域的影響。許曉東等[22]確定了Lee相變傳質(zhì)方程中最優(yōu)傳質(zhì)系數(shù)，并利用CFD方法研究螺旋槽的槽型結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)液膜機(jī)械密封汽化特性的影響規(guī)律。

綜上可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)專家學(xué)者已在機(jī)械密封液膜空化邊界確定、空化特性等方面開(kāi)展了大量研究并取得了諸多成果，但大多是基于端面光滑的宏觀空化研究，對(duì)于涉及表面粗糙度引起的微觀空化的相關(guān)研究較少。本文作者以螺旋槽上游泵送機(jī)械密封為研究對(duì)象，建立涉及表面粗糙度的間隙液膜空化計(jì)算模型，研究密封端面不同部位表面粗糙度對(duì)液膜空化及流體動(dòng)壓效應(yīng)的影響。

1 模型建立

1.1 物理模型

文中研究對(duì)象為螺旋淺槽機(jī)械密封，其動(dòng)環(huán)端面造型示意圖見(jiàn)圖1。圖中，ro、rg和ri分別為端面外半徑、外槽根圓半徑和內(nèi)半徑；θw、θg分別為密封堰、螺旋槽對(duì)應(yīng)的圓心角；螺旋槽型線為對(duì)數(shù)螺旋線，θ為螺旋角，其表達(dá)式為

r=ri·eφ·tanθ

(1)

式中：r和φ為極坐標(biāo)下螺旋線上任意點(diǎn)的兩個(gè)坐標(biāo)變量。

表1所示為密封運(yùn)行工況及密封端面幾何參數(shù)。密封介質(zhì)為常溫清水，動(dòng)、靜環(huán)材料分別為碳化硅、碳石墨。因螺旋槽周向均布，故取1/Ng液膜為求解域，其周期性邊界條件為

表1 密封端面運(yùn)行工況及幾何參數(shù)

φ(θ+2π/Ng)=φ(θ)

(2)

考慮到密封動(dòng)、靜環(huán)材料及端面加工工藝等差異，參考文獻(xiàn)[23-24]，將動(dòng)環(huán)開(kāi)槽區(qū)、動(dòng)環(huán)非槽區(qū)和靜環(huán)端面的粗糙度標(biāo)準(zhǔn)差σ1、σ2和σ3的范圍分別取為0.2～1.4 μm、0.03～0.18 μm和0.08～0.38 μm。

鑒于表面粗糙度結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性、復(fù)雜性，以及端面徑向、周向與軸向在尺度上的跨度較大等因素，會(huì)給間隙液膜內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬帶來(lái)極大困難，文中作為前期研究，假定以規(guī)則四方體粗糙微元近似代替隨機(jī)粗糙度，建立了密封微間隙涉及粗糙度的液膜流動(dòng)計(jì)算模型。

規(guī)則粗糙表面建模及網(wǎng)格生成方法為：采用Pro-E軟件進(jìn)行計(jì)算域端面造型；利用ICEM拓?fù)涔δ軐⒍嗣婕?xì)化成微元織構(gòu)面并進(jìn)行相關(guān)定義，比如動(dòng)環(huán)開(kāi)槽區(qū)粗糙度模擬，如圖2所示，沿槽區(qū)周向復(fù)制N條螺旋槽型線作為分割線，由于螺旋線長(zhǎng)度與槽周向弧長(zhǎng)較為接近，則沿槽區(qū)徑向復(fù)制N條槽內(nèi)徑側(cè)圓弧線作為分割線，至此將槽區(qū)劃分為N×N個(gè)織構(gòu)微元，其中每個(gè)粗糙微元的高度代表粗糙度輪廓的標(biāo)準(zhǔn)差，從而獲得近似的螺旋槽底粗糙表面，并采用相同方法獲得其他部位的粗糙表面。然后，在所構(gòu)建的微元織構(gòu)面生成面網(wǎng)格，再利用ICEM拉伸功能將面網(wǎng)格拉伸成體網(wǎng)格，槽區(qū)液膜、粗糙微元液膜和間隙液膜分別拉伸4層、3層和3層。

圖2 粗糙微元及粗糙表面模擬示意

1.2 數(shù)學(xué)模型

綜合考慮模擬計(jì)算的復(fù)雜性、精確性和效率，文中依據(jù)密封微間隙潤(rùn)滑膜特點(diǎn)作如下假設(shè)：

(1)忽略密封介質(zhì)重力；

(2)文中著重考察端面粗糙度對(duì)液膜空化的影響規(guī)律，暫未考慮環(huán)變形的影響；

(3)間隙流體與壁面間無(wú)滑移；

(4)液膜溫度和黏度為定值。

依據(jù)文中密封結(jié)構(gòu)參數(shù)和所涉及的最大轉(zhuǎn)速計(jì)算可知，潤(rùn)滑膜流動(dòng)因子α[25]遠(yuǎn)小于600/1 600，故密封微間隙液膜流態(tài)為層流。

對(duì)于間隙液膜空化問(wèn)題，因兩相邊界無(wú)法明確定義，故采用如下混合物模型：

混合連續(xù)性方程

(3)

混合動(dòng)量方程

(4)

汽相和液相間的質(zhì)量傳輸由質(zhì)量輸運(yùn)方程控制：

(5)

式中：αv為平均汽相體積分?jǐn)?shù)；Re和Rc分別為空化過(guò)程中的蒸發(fā)相和冷凝相的源項(xiàng)。

文中選用Zwart-Gerber-Belamri空化模型，采用SIMPLEC算法，壓力離散格式采用PRESTO！，動(dòng)量采用二階迎風(fēng)差分格式，體積分?jǐn)?shù)采用QUICK格式。邊界條件設(shè)置如圖3所示。

圖3 液膜邊界條件

1.3 粗糙微元數(shù)目確定及網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

文中在粗糙微元數(shù)目確定、網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)和后續(xù)的計(jì)算結(jié)果分析中，考慮某部位的粗糙度影響時(shí)，均假設(shè)其他部位為光滑表面。

以規(guī)則粗糙微元表征實(shí)際粗糙度時(shí)，存在粗糙微元大小的取值問(wèn)題，現(xiàn)以動(dòng)環(huán)槽區(qū)粗糙為例加以分析。在介質(zhì)壓力pi為0.3 MPa、轉(zhuǎn)速n為5 000 r/min、槽區(qū)粗糙度標(biāo)準(zhǔn)差σ1取為0.8 μm情況下進(jìn)行計(jì)算，得到如圖4所示液膜開(kāi)啟力F和泄漏率Q隨分割線數(shù)N的變化規(guī)律?？梢?jiàn)，當(dāng)N達(dá)到100即槽區(qū)粗糙微元數(shù)目達(dá)到10 000個(gè)及以上時(shí)，液膜開(kāi)啟力F和泄漏量Q的變化很小。因此，文中的槽區(qū)粗糙度模擬選取N=100，非槽區(qū)和靜環(huán)端面粗糙度模擬根據(jù)區(qū)域面積的相對(duì)大小選取N=200。

文中分別對(duì)槽區(qū)、非槽區(qū)和靜環(huán)端面進(jìn)行網(wǎng)格劃分(局部網(wǎng)格放大如圖3所示)并進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)。模擬分析結(jié)果表明：當(dāng)槽區(qū)、非槽區(qū)和靜環(huán)端面單周期網(wǎng)格數(shù)量分別達(dá)到1 576 243、2 638 155和3 974 081以上時(shí)，F(xiàn)和Q受網(wǎng)格尺寸的影響很小，故以此3個(gè)網(wǎng)格劃分方案進(jìn)行模擬計(jì)算。動(dòng)環(huán)槽區(qū)不同粗糙度時(shí)密封性能參數(shù)值隨網(wǎng)格數(shù)量的變化規(guī)律如圖5所示，限于篇幅，動(dòng)環(huán)非槽區(qū)和靜環(huán)端面不同粗糙度時(shí)的模擬結(jié)果不一一列出。

圖5 動(dòng)環(huán)槽區(qū)不同粗糙時(shí)密封性能參數(shù)值隨網(wǎng)格數(shù)量的變化規(guī)律

2 模型驗(yàn)證

圖6示出了采用文中所建立計(jì)算模型(動(dòng)、靜環(huán)端面均考慮粗糙度)對(duì)文獻(xiàn)[26]的研究對(duì)象進(jìn)行摩擦功耗計(jì)算的結(jié)果，以及與文獻(xiàn)[26]的實(shí)驗(yàn)及模擬結(jié)果的對(duì)比。文獻(xiàn)[26]通過(guò)摩擦功耗實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出的非接觸液膜潤(rùn)滑機(jī)械密封摩擦功耗計(jì)算公式。

圖6 文中計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[26]的對(duì)比

由圖6可見(jiàn)，文中計(jì)算得到的摩擦功耗與文獻(xiàn)[26]的計(jì)算結(jié)果具有較好的一致性，且文中計(jì)算結(jié)果處于文獻(xiàn)[26]計(jì)算結(jié)果的偏實(shí)驗(yàn)值一側(cè)，這是因?yàn)槲闹杏?jì)算模型考慮了表面粗糙度，導(dǎo)致潤(rùn)滑膜邊界附近的流動(dòng)受凹凸表面擾動(dòng)而趨于復(fù)雜化，流動(dòng)損失增加且隨轉(zhuǎn)速增大而趨于明顯。由此表明文中計(jì)算模型是可靠的。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

對(duì)于螺旋淺槽上游泵送機(jī)械密封，無(wú)論是端面螺旋槽造型還是表面粗糙度均可能在液膜流動(dòng)方向上形成發(fā)散-收斂交替通道，為空化的產(chǎn)生提供了必要條件，因此可能既存在宏觀空化又存在微觀空化。由于密封端面不同部位的粗糙度大小不同及其對(duì)空化的影響也可能不同，故以下分別就動(dòng)環(huán)槽區(qū)、動(dòng)環(huán)非槽區(qū)以及靜環(huán)端面等3個(gè)部位為不同粗糙度時(shí)探討液膜空化特性。

3.1 動(dòng)環(huán)槽區(qū)粗糙度對(duì)液膜空化的影響

介質(zhì)壓力0.6 MPa、轉(zhuǎn)速8 000 r/min時(shí)不同動(dòng)環(huán)槽區(qū)粗糙度下端面壓力分布云圖如圖7所示?？梢钥闯觯盟筒鄣暮暧^結(jié)構(gòu)形成的泵送效應(yīng)及動(dòng)壓效應(yīng)使液膜形成了明顯的高、低壓區(qū)，當(dāng)槽區(qū)粗糙時(shí)，隨著粗糙度的增大，外槽根高壓區(qū)的壓力及范圍略有增大，說(shuō)明槽區(qū)粗糙度有提升膜壓的作用。為了更具體地考察粗糙度的影響，將內(nèi)徑側(cè)槽堰低壓區(qū)進(jìn)行局部放大并置于分度更小的坐標(biāo)中(因布圖不便未將小圖坐標(biāo)放入)。由局部放大圖可見(jiàn)，槽區(qū)粗糙微元使槽區(qū)內(nèi)徑側(cè)附近膜壓提升并出現(xiàn)與粗糙微元分布一致的高低壓交替分布現(xiàn)象，且粗糙度越大越明顯，說(shuō)明粗糙度引起了動(dòng)壓效應(yīng)。

圖7 不同動(dòng)環(huán)槽區(qū)粗糙度值下的壓力分布

介質(zhì)壓力為0.6 MPa，不同轉(zhuǎn)速時(shí)密封間隙液膜汽相分布隨粗糙度變化云圖如圖8所示，對(duì)應(yīng)工況下液膜平均汽相體積分?jǐn)?shù)隨動(dòng)環(huán)槽區(qū)粗糙度變化規(guī)律如圖9所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，從圖8(a)、圖9可看出，無(wú)論槽區(qū)是否粗糙，液膜汽相體積分?jǐn)?shù)為0，說(shuō)明液膜內(nèi)部流速小，螺旋槽和粗糙微元均未導(dǎo)致空化的發(fā)生，密封面處于全液體潤(rùn)滑狀態(tài)。由圖8(b)、(c)和圖9可以看出，轉(zhuǎn)速增大時(shí)，螺旋槽背風(fēng)側(cè)附近出現(xiàn)局部高汽相體積分?jǐn)?shù)區(qū)域且隨轉(zhuǎn)速的增大而加劇，說(shuō)明轉(zhuǎn)速增大，槽的泵送效應(yīng)和動(dòng)壓效應(yīng)明顯增強(qiáng)，液膜空化程度提升；而隨著槽區(qū)粗糙度的增大宏觀空化區(qū)域略有縮小，汽相體積分?jǐn)?shù)降低且轉(zhuǎn)速越高降低越明顯。由圖8(c)中局部放大圖并結(jié)合圖7可見(jiàn)，在槽背風(fēng)側(cè)附近粗糙微元引起了局部微空化，說(shuō)明粗糙微元產(chǎn)生了動(dòng)壓效應(yīng)，提升了膜壓，降低了宏觀空化程度，對(duì)液膜空化產(chǎn)生了一定的抑制作用。

圖9 不同轉(zhuǎn)速下動(dòng)環(huán)槽區(qū)粗糙度值對(duì)液膜平均汽相體積分?jǐn)?shù)的影響

3.2 動(dòng)環(huán)非槽區(qū)粗糙度對(duì)液膜空化的影響

介質(zhì)壓力0.6 MPa、轉(zhuǎn)速8 000 r/min時(shí)端面膜壓分布隨動(dòng)環(huán)非槽區(qū)粗糙度變化云圖如圖10所示?？梢钥闯?，動(dòng)環(huán)非槽區(qū)粗糙度使外槽根高壓區(qū)的壓力明顯提升并向槽、堰、壩區(qū)明顯拓展。從局部放大圖可見(jiàn)，非槽區(qū)粗糙度明顯導(dǎo)致液膜出現(xiàn)高低壓交替分布，而且隨著粗糙度增大高壓區(qū)增強(qiáng)越明顯。這說(shuō)明非槽區(qū)液膜流體以周向高速流動(dòng)為主，粗糙度引起的流體動(dòng)壓效應(yīng)更突出，局部出現(xiàn)了微觀空化；此外，壩區(qū)粗糙度也給高轉(zhuǎn)速導(dǎo)致的負(fù)泄漏流帶來(lái)摩阻的增大，這也是高壓區(qū)明顯增強(qiáng)的原因之一。

圖10 不同動(dòng)環(huán)非槽區(qū)粗糙度值下的膜壓分布

介質(zhì)壓力為0.6 MPa，不同轉(zhuǎn)速時(shí)間隙液膜汽相分布隨動(dòng)環(huán)非槽區(qū)粗糙度變化云圖如圖11所示，相應(yīng)工況下液膜平均汽相體積分?jǐn)?shù)隨動(dòng)環(huán)非槽區(qū)粗糙度的變化規(guī)律如圖12所示。從圖11、圖12可以看出，低轉(zhuǎn)速1 000 r/min時(shí)，非槽區(qū)粗糙度并沒(méi)有改變端面光滑時(shí)液膜汽相體積分?jǐn)?shù)很低的狀態(tài)，宏觀空化和微觀空化均無(wú)發(fā)生；轉(zhuǎn)速增大時(shí)，槽堰區(qū)出現(xiàn)明顯的空化區(qū)域且隨轉(zhuǎn)速升高空化區(qū)域增大、汽相體積分?jǐn)?shù)提升，螺旋槽泵送效應(yīng)和動(dòng)壓效應(yīng)均增強(qiáng)。

圖11 不同轉(zhuǎn)速下動(dòng)環(huán)非槽區(qū)粗糙度對(duì)液膜汽相分布的影響

圖12 不同轉(zhuǎn)速下動(dòng)環(huán)非槽區(qū)粗糙度值對(duì)液膜平均汽相體積分?jǐn)?shù)的影響

結(jié)合圖10可看出，在較高轉(zhuǎn)速下，粗糙微元導(dǎo)致的膜壓升高，使空化區(qū)域收縮，汽相體積分?jǐn)?shù)降低，而粗糙度增大對(duì)平均汽相體積分?jǐn)?shù)幾乎不影響，這說(shuō)明非槽區(qū)粗糙度一方面對(duì)宏觀空化具有一定的抑制作用，另一方面非槽區(qū)中因部分堰區(qū)膜壓較低，粗糙微元引起的微空化導(dǎo)致汽相體積分?jǐn)?shù)輕微增大，而大部分壓力相對(duì)較高區(qū)域中，粗糙微元導(dǎo)致的微空化因壓力提升而減弱或消失。

3.3 靜環(huán)端面粗糙度對(duì)液膜空化的影響

介質(zhì)壓力0.6 MPa、轉(zhuǎn)速8 000 r/min時(shí)，膜壓分布隨靜環(huán)端面粗糙度變化云圖如圖13所示?？梢钥闯觯o環(huán)端面粗糙時(shí)，液膜高壓區(qū)向槽、壩區(qū)拓展，壓力值升高，且粗糙度越大趨勢(shì)越明顯，粗糙微元引起的微弱高低壓交替分布覆蓋了整個(gè)液膜區(qū)。這說(shuō)明靜環(huán)端面粗糙微元在導(dǎo)致液膜流體產(chǎn)生動(dòng)壓效應(yīng)、提升膜壓的同時(shí)，同樣增大了壩區(qū)負(fù)泄漏流動(dòng)的摩阻，這些均是致使高壓區(qū)膜壓增強(qiáng)的因素。

圖13 不同靜環(huán)端面粗糙度值下的膜壓分布

介質(zhì)壓力為0.6 MPa，不同轉(zhuǎn)速時(shí)液膜汽相分布隨靜環(huán)端面粗糙度變化云圖如圖14所示，對(duì)應(yīng)工況下液膜平均汽相體積分?jǐn)?shù)隨靜環(huán)端面粗糙度變化規(guī)律如圖15所示。從圖14、圖15可以看出，低轉(zhuǎn)速1 000 r/min時(shí)，與前述其他區(qū)域粗糙時(shí)的情況相同，無(wú)論是否考慮靜環(huán)端面粗糙度，整體計(jì)算域汽相體積分?jǐn)?shù)為0，說(shuō)明宏、微觀空化均未發(fā)生。轉(zhuǎn)速增大時(shí)，槽堰區(qū)液膜局部出現(xiàn)空化且隨轉(zhuǎn)速增大空化程度加?。晦D(zhuǎn)速不變時(shí)，較小的靜環(huán)端面粗糙度使液膜空化程度減弱，平均汽相體積分?jǐn)?shù)有所降低，隨著粗糙度的增大空化程度有所增強(qiáng)?？梢?jiàn)，靜環(huán)端面粗糙對(duì)液膜空化的影響是整體性、綜合性的，小粗糙度時(shí)，因泵送流摩阻增大而使宏觀空化減弱，且低壓區(qū)粗糙微元微觀空化也弱，故總體空化程度減弱；隨著粗糙度的增大，液膜低壓區(qū)粗糙度引起的微觀空化加劇，使整體空化程度有所回升；總體上靜環(huán)端面粗糙度對(duì)液膜空化的影響相對(duì)較小。

圖14 不同轉(zhuǎn)速下靜環(huán)端面粗糙度值對(duì)液膜汽相分布的影響

圖15 不同轉(zhuǎn)速下靜環(huán)端面粗糙度值對(duì)液膜平均汽相體積分?jǐn)?shù)的影響

綜上所述，密封端面3個(gè)不同區(qū)域表面粗糙度對(duì)膜壓分布、液膜空化的影響規(guī)律是不一樣的。

3.4 動(dòng)靜環(huán)端面粗糙度對(duì)液膜空化的影響

圖16所示為介質(zhì)壓力0.6 MPa，轉(zhuǎn)速1 000～10 000 r/min時(shí)，動(dòng)、靜環(huán)端面同時(shí)考慮粗糙度(取各部位粗糙度中值)與不同部位粗糙度(取中值)情況下的平均汽相體積分?jǐn)?shù)對(duì)比。可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于1 000 r/min時(shí)，與局部區(qū)域考慮粗糙度相同，動(dòng)靜環(huán)全端面考慮粗糙度時(shí)，潤(rùn)滑膜的平均汽相體積分?jǐn)?shù)仍為0，說(shuō)明液膜仍未發(fā)生宏、微觀空化；當(dāng)轉(zhuǎn)速高于1 000 r/min時(shí)，隨轉(zhuǎn)速的增大，潤(rùn)滑膜的平均汽相體積分?jǐn)?shù)不斷升高，但動(dòng)靜環(huán)全端面考慮粗糙度時(shí)的平均汽相體積分?jǐn)?shù)增速比考慮任何局部粗糙度時(shí)小，且轉(zhuǎn)速越高越明顯，說(shuō)明各部位粗糙微元產(chǎn)生的動(dòng)壓效應(yīng)呈現(xiàn)出疊加效應(yīng)，對(duì)微觀空化起到了一定的抑制作用，且轉(zhuǎn)速越高粗糙微元的動(dòng)壓效應(yīng)越明顯，抑制作用也越強(qiáng)。

圖16 不同轉(zhuǎn)速時(shí)全端面粗糙度值對(duì)液膜平均汽相體積分?jǐn)?shù)的影響

對(duì)圖16及圖9、圖12、圖15綜合分析可知，粗糙微元對(duì)液膜空化的抑制作用從大到小的順序?yàn)椋簞?dòng)靜環(huán)全端面、動(dòng)環(huán)非槽區(qū)、動(dòng)環(huán)槽區(qū)、靜環(huán)端面。其原因與粗糙區(qū)域大小和所在區(qū)域的膜壓、流速大小有關(guān)，高速高壓區(qū)粗糙度對(duì)膜壓的“貢獻(xiàn)”更大，對(duì)空化的抑制作用較明顯，高速低壓區(qū)粗糙度對(duì)空化的“貢獻(xiàn)”更明顯，對(duì)膜壓“貢獻(xiàn)”較弱，低速區(qū)(槽區(qū))粗糙度的影響相對(duì)較小。

4 結(jié)論

(1)動(dòng)環(huán)槽區(qū)粗糙度增大，外槽根高壓區(qū)的壓力及范圍略有增大，膜壓提升；動(dòng)環(huán)非槽區(qū)粗糙度使外槽根高壓區(qū)的壓力明顯提升并向槽、堰、壩區(qū)明顯拓展，且粗糙度越大高壓區(qū)增強(qiáng)越明顯；靜環(huán)端面粗糙時(shí)，液膜高壓區(qū)向槽、壩區(qū)拓展，壓力升高，且粗糙度越大趨勢(shì)越明顯。

(2)低轉(zhuǎn)速(如1 000 r/min)時(shí)，無(wú)論端面粗糙與否，液膜平均汽相體積分?jǐn)?shù)為0，螺旋槽和粗糙微元均未導(dǎo)致空化；端面粗糙區(qū)液膜出現(xiàn)與粗糙微元分布一致的高低壓交替分布。

(3)較高轉(zhuǎn)速時(shí)，位于較低膜壓區(qū)的粗糙微元會(huì)導(dǎo)致液膜微觀空化；動(dòng)環(huán)槽區(qū)粗糙度增大宏觀空化區(qū)域略有縮小、空化程度降低，對(duì)液膜空化產(chǎn)生了一定的抑制作用；動(dòng)環(huán)非槽區(qū)粗糙微元導(dǎo)致膜壓升高、空化區(qū)域收縮，但粗糙度增大對(duì)平均汽相體積分?jǐn)?shù)幾乎不影響；較小的靜環(huán)端面粗糙度使液膜空化程度減弱，平均汽相體積分?jǐn)?shù)有所降低，隨著粗糙度的增大空化程度有所增強(qiáng)，但總體上靜環(huán)端面粗糙度對(duì)液膜空化的影響相對(duì)較小。

(4)動(dòng)、靜環(huán)全端面粗糙時(shí)各部位粗糙微元產(chǎn)生的動(dòng)壓效應(yīng)呈現(xiàn)出疊加效應(yīng)，對(duì)空化的抑制作用比任何局部粗糙時(shí)強(qiáng)，且轉(zhuǎn)速越高越明顯。