为增强综合国力竞争和维护国防安全,军工、航空航天等高端领域不断发展,出现越来越多需要高线速度密封的应用场合。磁性液体密封因具有零泄漏、长寿命和高可靠性而显示出越来越独特的应用优势,不仅能满足高端密封领域的苛刻密封要求,还能保障设备和武器的良好工作性能。然而,磁性液体高速(线速度>20m/s)密封在国内始终未能取得突破。影响磁性液体高速密封性能的两个主要因素是离心力和温升问题,而温升又是直接导致磁性液体高速密封失效的关键原因。因此,为拓宽磁性液体密封应用,解决磁性液体高速密封的传热问题,本文基于高速密封工况对通道内磁性液体的传热特性相关问题进行了理论和实验研究。主要工作体现如下:(1)推导磁性液体高速密封的粘性阻力矩及摩擦耗散公式,通过实验研究磁性液体流变特性对粘性阻力矩的影响,再将高速密封工况特点下的磁性液体粘-温特性代入到摩擦耗散公式中进行修正。(2)通过对制备得到的水基、机油基、酯基和氟醚油基四种磁性液体的基本性能表征选择了适用于高速密封工况的磁性液体。并选择了合适的磁性液体热物性参数计算模型,如粘度采用Brinkman模型,导热系数采用Maxwell经典模型,计算得到了四种磁性液体的热物性参数。(3)通过简化磁性液体高速密封间隙内的温度场计算模型,推导得到了密封间隙内磁性液体最大温度计算公式,并对其进行修正。经验证,利用修正公式计算得到了线速度在22.6m/s～50.3m/s时无冷却条件下密封间隙内酯基磁性液体的最大温度,说明了高线速度下温升问题突出。这种温度计算方法虽然简化和忽略了一些条件,与实际值存在偏差,但适用于工程应用中快速便捷地估算密封中的温度,且在一定误差内准确有效。(4)基于磁性液体高速密封常规冷却结构,对高速密封工况特征下的磁性液体传热特性研究模型进行合理地假设和简化。自主设计并搭建非均匀永磁场下水平通道内磁性液体对流传热特性研究实验台。实验台测试段的主体结构与磁性液体高速密封结构基本相同,采用的材料完全一致,以尽量保证物理模型的真实性;加热段采用直流电源对电阻丝进行加热,保持加热功率恒定,作为外热源施加到测试通道下方;冷却系统主要采用低温冷却循环机,为极靴提供稳定且恒定温度的冷却液;采用K型热电偶对温度进行测量,再通过温度巡检仪和数据采集电脑进行测量结果的显示和记录。然后对实验数据进行无量纲处理从而得到非均匀磁场下水平通道内磁性液体的瑞利数Ra、磁瑞利数Ram、努塞尔数Nu等无量纲参数。通过对测量误差和计算误差的分析得到了实验不确定性,其中瑞利数、磁瑞利数、努塞尔数和热流密度的不确定度分别为2.46%、1.41%、4.51%和7.51%。以水基磁性液体作为对比工质,测量得到了自然对流传热下的努塞尔数,验证了实验数据的有效性和可靠性。(5)实验测量了磁场、冷却温度、加热功率、间隙大小等因素对磁性液体对流传热行为的影响。结果显示,非均匀永磁场作用下磁性液体的对流传热性能相比没有磁场时明显增强了,增大磁场强度可以提高磁性液体的自然对流传热性能。降低通道上壁面的冷却温度可以显著提高传热效率和传热速率,起到降低磁性液体温度和通道下壁面温度以及增大温差的作用。但持续降低通道上壁面的冷却温度并不能一直提高传热,对于恒定的加热功率存在达到最大热平衡态的冷却温度极限值。增大加热功率会增加磁性液体温度和通道下壁面温度,但同时会增大上下壁面温差而引起对流传热的不稳定性增强。在相同加热功率和冷却温度下,增大间隙尺寸会增加磁性液体和通道下壁面温度,降低传热效率;减小间隙尺寸会降低磁性液体和通道下壁面温度,增加传热效率。此外,对不同种类的磁性液体进行了自然对流传热性能的测试,结果对比了相同工况下不同磁性液体的传热效率和传热性能。并基于自然对流准则方程式对实验数据进行拟合,得到了水基、机油基、酯基和氟醚油基四种磁性液体在特定范围内的自然对流无量纲关联式,为预测磁性液体的自然对流传热性能提供了理论支撑。最后,通过对测试通道中磁场和温度分布的测量,探讨了磁性液体在非均匀磁场和温度梯度下自然对流传热机理。通过分析认为磁场梯度和温度梯度产生的开尔文力和浮力使得磁性液体在水平通道内产生流动辊,导致了热边界层的扰动和颗粒的迁移,从而增强了磁性液体的自然对流传热。本文研究成果主要填补了国内现有磁性液体高速密封传热相关问题在某些方面的研究欠缺,一定程度上为解决磁性液体高速密封的温升问题提供了理论和实验参考,有望为解决磁性液体高速密封难题带来希望,在未来高速密封领域中的应用存在巨大潜力。图71幅,表18个,参考文献159篇