螺旋槽端面密封是一种依靠流体动压效应工作于非接触状态的机械密封。由于其承载性能好、可靠性高、服役寿命长而广泛应用于石油石化、航空航天等领域。随着动力机械向高转速甚至超高转速方向发展,机械密封的高速化问题越来越显著。密封间隙内润滑液膜的空化现象和流体惯性力是高速条件下流体润滑流动所呈现的普遍流体力学现象,对密封的性能具有重要的影响作用。开展高速螺旋槽端面密封液膜空化现象和流体惯性效应的研究,不仅可丰富螺旋槽端面密封的设计理论,也符合中国制造2025-能源装备实施方案和中国机械工程学会提出的发展高参数机械密封、攻克相关关键共性技术的规划与要求,对国家能源与航空航天事业的发展具有重要的意义。论文首先基于Reynolds方程和JFO空化理论,建立了螺旋槽端面密封的润滑模型,采用Streamline-Upwind/Petrov-Galerkin(SUPG)Galerkin有限元求解方法,揭示了螺旋槽端面密封流体动力润滑条件下液膜空化现象的作用与影响机理。深化了液膜空化对密封间隙内流体流动影响机理的认识,提出了润滑液膜的空化抽吸效应概念,揭示了空化抽吸控制泄漏的机理,并设计了空化抽吸式端面密封,数值结果表明其兼具良好的反向抽吸性能和动压承载性能,在工程实际中可推广应用。针对高速下的流体惯性作用,基于流体润滑理论和JFO空化理论,提出了包括液膜空化效应和流体惯性效应的螺旋端面密封液膜的润滑控制方程,结合SUPG有限单元法、人工数值耗散技术和Newton-Raphson迭代方法实现了润滑方程的数值求解。与全三维流场模拟结果对比,验证了理论模型与数值算法的有效性。分析了高速条件下螺旋槽端面密封流体动力润滑状态下液膜空化效应、流体离心惯性效应与流体对流惯性效应对密封性能的影响规律,揭示了液膜空化和流体惯性的耦合作用机理。加深了对流体惯性效应的认识,获得了上述效应影响下螺旋槽端面密封的性能变化规律。考虑高速条件下润滑液膜的粘性生热作用,基于前述理论模型和流体粘温特性,建立了包含密封动静环和润滑液膜在内的螺旋槽端面机械密封热流体动力润滑数学模型,采用有限单元法求解润滑液膜拟三维能量方程、密封动静环三维热传导方程和考虑空化及惯性效应在内的润滑方程。研究了热流体动力润滑作用下高速螺旋槽端面密封液膜空化效应、流体惯性效应对密封性能的影响规律,揭示了热作用下液膜空化和流体惯性的作用机理。搭建了机械密封润滑液膜可视化实验装置,进行了水润滑条件下螺旋槽端面机械密封的液膜空化试验,研究了液膜空化现象发生机理,分析了空化对液膜流动和摩擦学特性的影响规律,实验验证了空化抽吸效应和空化抽吸式端面密封的反向抽吸性能。论文研究工作为高速螺旋槽端面密封的工程设计提供了理论依据与方法,丰富和拓展了螺旋槽机械密封的润滑理论,所提出的模型和数值方法也可用于流体动压轴承的仿真分析。