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罗茨真空泵的瞬态模拟

  干式真空泵作为核心装备广泛应用于半导体产业、太阳能电池制造、化工、制药等重要行业, 其研发和生产越来越受到重视。干式真空泵有多种结构形式,其中主要有多级罗茨式、多级爪式、组合式(罗茨+爪型)和螺杆式等,抽气过程中气体的温度和压力存在复杂的变化。目前, 除制造装配要求精度高、加工难度大等制约因素外,设计理论也亟待提高,如转子热变形及对间隙的影响、空气动力性噪声的产生与控制、颗粒物的抽除及在腔内的运动等问题都值得深入分析, 因此,对泵腔的流场进行研究具有重要意义。

  近年来,计算流体力学(CFD ,Computational FluidDynamics)发展迅速并被应用于流体机械内部流场的研究。在真空技术领域也不断有 CFD 的应用成果被报道, Boulon 和 Cheng 等研究了复合分子泵Holweck 排气级和涡轮增压泵内的流动模拟问题;Wang 等对不同运转条件下蒸汽喷射泵的性能进行了数值计算。本文以多级干式真空泵的罗茨型吸气级泵腔为研究对象, 基于CFD 通用软件AN-SYS -CFX 并采用动网格方法对泵内的瞬态流动进行了数值计算, 讨论了CFD 方法的适用性, 分析了气体的流动现象和流场分布, 为进一步研究干式真空泵内的物理过程和理论问题进行了有益的尝试.

  通过学者的研究得出以下结论

  (1)应用动网格方法建立了干式真空泵罗茨吸气级内流动的瞬态模拟模型, 针对泵腔间隙接近0.1 mm 的实际机型, 在入口压力为 100 和 1000 Pa时,与抽速曲线对比 CFD 数值结果的误差分别为34.2 %和11.5 %。

  (2)CFD 方法难以适用于入口压力较低及极限真空时干式真空泵内的流动分析, 但在入口压力较高时具有较好的数值精度, 具体应用中可依据工程实际允许的精度要求确定适当的入口压力范围。

  (3)模拟计算了真空泵的性能并对其内部的流动现象进行了分析, 指出罗茨型泵腔内存在位置、大小和强度不断变化的旋涡流动,并给出了泵腔内温度分布的变化。本文的研究结果有待结合工程实践进一步检验和完善,其对干式真空泵设计和理论研究的帮助作用是可以预见的。

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