在航空航天、核电等领域,流体机械向高参数方向发展,机械密封面临高压或高速的恶劣运行工况,密封端面间的润滑液膜往往处于湍流状态,对机械密封的性能产生重要的影响。论文针对高压工况和高速工况下的液膜润滑机械密封,基于润滑液膜的湍流润滑理论建立了有限元数学模型,研究了不同参数下湍流效应对密封性能的影响规律。首先,基于Brunetière改进的湍流黏度模型,采用有限单元法结合松弛迭代技术实现了润滑方程和液膜湍流模型的数值求解。针对典型的二维无限大平板,在剪切流和压差流两种基本流动情况下,对比分析了经典层流润滑模型和湍流润滑模型下层流、过渡、湍流三种不同流动状态下的压力分布,研究了平板上不同槽型的影响规律。基于此模型,开展了应用于高压工况的具有锥度的流体静压型机械密封的湍流效应研究。结果表明,在不同的几何参数下,层流模型中的开启力、刚度和泄漏率均大于湍流模型,而摩擦系数较小。在不同工况条件下,考虑湍流效应时转速对泄漏率和摩擦系数的影响比较显著;随密封压力的增加,液膜开启力增大而摩擦系数降低;研究范围内湍流模型的摩擦系数随膜厚的增加而增大,而层流模型中的摩擦系数随膜厚的增加不断减小。针对应用于高速工况下的液膜润滑螺旋槽端面机械密封,对比分析了不同螺旋槽几何参数和工况参数下湍流效应对密封性能的影响。当转速n≥20,000 rpm时,润滑液膜处于完全湍流状态,液膜的湍流效应显著提升了螺旋槽机械密封端面液膜的动压效应,润滑液膜的开启力、泄漏率和刚度均明显大于层流模型预测值。相较于非开槽区液膜,螺旋槽内产生更加明显的湍流效应,其内液膜流动行为远不同于层流模型。以开启力为优化目标,湍流模型获得的优化螺旋槽几何参数在螺旋角、槽深明显不同于层流模型。在考虑湍流效应的基础上,考虑润滑液膜的黏性剪切作用,建立了机械密封热流体动力润滑模型,采用有限单元法对广义雷诺方程、准三维液膜平均能量方程和动静环热传导方程进行耦合求解,对比分析了层流热模型和湍流热模型下几何参数和工况参数对密封性能的影响。结果表明,湍流效应对静压型机械密封的温度分布十分显著,在不同参数下,湍流热模型的温度值远大于层流热模型。对于高速螺旋槽密封而言,由于流体热效应明显降低了液膜黏度,削弱了流体的动压效应,使得两模型下的压力峰值相差不大;湍流热模型下的温度分布均大于层流热模型的值,由密封环外径侧到内径侧温度分布逐渐升高,对于液膜平均温度和静环端面温度而言,由于较多的冷流体流入槽区,非槽区的温度明显高于槽区的温度值。在不同的参数下,湍流热模型的值均大于层流热模型的值,归因于湍流的影响增大了润滑液膜的黏度。