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錐度端面加工有周向波度(Wavy-Tilt-Dam，縮寫為WTD)的機械密封為非接觸式密封形式的一種，被應用于核主冷泵等高溫、高壓場合，其端面特有的周向波度和徑向錐度能夠產(chǎn)生流體動壓效應和靜壓效應。在實際運行過程中，密封端面間的潤滑液膜受粘性剪切作用而生熱，進而導致密封環(huán)和潤滑液膜的溫度上升，溫度過高會導致潤滑液膜汽化、增加泄漏率等，嚴重影響密封的安全運行。因此，有限元分析深入研究WTD密封端面及液膜溫度場分對于指導波度密封的工程設(shè)計具有重要意義。
CHLi等假設(shè)密封環(huán)端面間潤滑液膜物理性質(zhì)不發(fā)生改變，計算了潤滑液膜和密封環(huán)溫度場，但在實際運行過程中，潤滑液粘度會隨著溫度的改變而發(fā)生變化。Lebeck等在理論與實驗上做了大量研究，建立了斜波度機械密封二維流固耦合模型，并指出對流換熱為其主要散熱形式，且對流換熱強度的計算采用了經(jīng)驗表達式。
Etsion等建立了機械密封軸對稱傳熱模型，討論了結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)對溫度場的影響，但是該模型忽略了潤滑液膜在周向方向上的對流作用，且獲得預測結(jié)果在膜厚較大的情況下誤差較大。Tournerie等考慮了動靜環(huán)端面傾斜(即一個波度)的影響，建立了包括密封動靜環(huán)和流體膜在內(nèi)的三維熱流固耦合模型，運用有限差分法研究了潤滑液膜與密封環(huán)之間的傳熱。許漢平等研究了基于JFO空化邊界條件對波度端面密封性能的影響，但是對于溫度場沒有進行深入研究。劉偉等同樣建立了WTD端面密封的三維模型，運用有限差分法分析了波度端面密封的傳熱及變形機理。
鑒于以上情況，本文忽略密封環(huán)端面的熱力變形，考慮潤滑液膜的空化作用，建立WTD端面密封熱流固耦合三維熱傳導分析模型，采用有限單元法求解廣義雷諾方程、熱傳導方程以及能量方程，研究操作參數(shù)和幾何參數(shù)等對WTD密封溫度場的影響規(guī)律。
在靜環(huán)端面外周分布有均勻的周向波度和徑向錐度，內(nèi)徑處為平面型密封壩，而動環(huán)密封端面為平面。定義壩寬比τ是密封環(huán)壩區(qū)的寬度與密封環(huán)寬度之比。
為便于分析做如下假設(shè)：(1)液膜處于熱穩(wěn)定狀態(tài)，其比熱cF以及熱傳導系數(shù)kF均與溫度無關(guān)；(2)密封環(huán)間介質(zhì)為Newton流體，滿足牛頓粘性剪切定律；(3)密封流體在密封端面處無滑移，并保持層流狀態(tài)。
密封端面潤滑液膜的流動情況由考慮液膜空化作用的經(jīng)典廣義Reynolds方程獲得。
當動靜環(huán)相對運轉(zhuǎn)時，端面間的潤滑液膜受到動環(huán)的粘性剪切作用而生熱，其中一部分熱量被潤滑液膜本身所吸收，并隨泄漏液體帶出密封間隙，剩余的熱量則通過端面向動靜環(huán)內(nèi)部傳導，并經(jīng)由對流換熱作用向密封介質(zhì)散發(fā)。對于潤滑液膜，采用跨膜厚的平均能量方
程，其基本思想為假設(shè)潤滑液膜溫度為液膜厚度的四階多項式分布，通過確定多項式的系數(shù)最終獲得液膜的溫度場。
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