干式羅茨真空泵吸氣級(jí)內(nèi)流動(dòng)的瞬態(tài)模擬

　　基于動(dòng)網(wǎng)格方法建立了干式真空泵羅茨型吸氣級(jí)的三維瞬態(tài)數(shù)值計(jì)算模型。模擬結(jié)果與抽速曲線對(duì)比，入口壓力為1000Pa時(shí)誤差為11.5%，100Pa時(shí)誤差為34.2%，表明計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法不適用于入口壓力較低及極限真空時(shí)真空泵內(nèi)的流動(dòng)研究，但在入口壓力較高時(shí)具有較好的數(shù)值精度。

　　由于干式真空泵的主要設(shè)計(jì)問(wèn)題多集中于入口壓力較高，負(fù)荷較大的運(yùn)行工況，應(yīng)用CFD方法研究干式真空泵的流動(dòng)特性具有實(shí)用價(jià)值。文中計(jì)算了真空泵的性能參數(shù)，分析了泵腔內(nèi)的流動(dòng)現(xiàn)象和流場(chǎng)的主要特征。

　　干式真空泵作為核心裝備廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、太陽(yáng)能電池制造、化工、制藥等重要行業(yè)，其研發(fā)和生產(chǎn)越來(lái)越受到重視。干式真空泵有多種結(jié)構(gòu)形式，其中主要有多級(jí)羅茨式、多級(jí)爪式、組合式(羅茨+爪型)和螺桿式等，抽氣過(guò)程中氣體的溫度和壓力存在復(fù)雜的變化。目前，除制造裝配要求精度高、加工難度大等制約因素外，設(shè)計(jì)理論也亟待提高，如轉(zhuǎn)子熱變形及對(duì)間隙的影響、空氣動(dòng)性噪聲的產(chǎn)生與控制、顆粒物的抽除及在腔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)等問(wèn)題都值得深入分析，因此，對(duì)泵腔的流場(chǎng)進(jìn)行研究具有重要意義。

　　近年來(lái)，計(jì)算流體力學(xué)(CFD，Computational Fluid Dynamics)發(fā)展迅速并被應(yīng)用于流體機(jī)械內(nèi)部流場(chǎng)的研究。在真空技術(shù)領(lǐng)域也不斷有CFD的應(yīng)用成果被報(bào)道，Boulon和Cheng等研究了復(fù)合分子泵Holweck排氣級(jí)和渦輪增壓泵內(nèi)的流動(dòng)模擬問(wèn)題；Wang等對(duì)不同運(yùn)轉(zhuǎn)條件下蒸汽噴射泵的性能進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，發(fā)布此是文以多級(jí)干式真空泵的羅茨型吸氣級(jí)泵腔為研究對(duì)象，基于CFD通用軟件ANSYS-CFX并采用動(dòng)網(wǎng)格方法對(duì)泵內(nèi)的瞬態(tài)流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，討論了CFD方法的適用性，分析了氣體的流動(dòng)現(xiàn)象和流場(chǎng)分布，為進(jìn)一步研究干式真空泵內(nèi)的物理過(guò)程和理論問(wèn)題進(jìn)行了有益的嘗試。

1、物理模型和數(shù)值模擬

　　1.1、物理模型

　　多級(jí)干式真空泵內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)比較復(fù)雜，除粘滯流外，在直排大氣的排氣級(jí)可能出現(xiàn)湍流，而在壓力較低的吸氣級(jí)泵腔的狹小間隙內(nèi)，可能存在滑移流、過(guò)渡流甚至分子流態(tài)。氣體流態(tài)判別依據(jù)由分子平均自由程和幾何特征尺寸決定的克努森數(shù)Kn，通常CFD方法適用于分析湍流、粘滯流，在滑移流的模擬中也有成功的算例，而在Kn>011的過(guò)渡流或分子流時(shí)，由于Navier-Stokes方程基于的連續(xù)性假設(shè)不再成立，理論上不適用。在高真空稀薄氣體的模擬中主要采用直接蒙特卡羅(DSMC，Directsimulation Monte Carlo)方法，但隨著壓力升高，分子間碰撞頻率迅速增加需要巨大的計(jì)算資源支撐，計(jì)算效率較低。值得注意的是根據(jù)克努森數(shù)Kn選擇CFD或DSMC方法并沒(méi)有明確的界限?；谝韵率聦?shí):

　　(1)多級(jí)干式真空泵中克努森數(shù)較大的分子流和過(guò)渡流zui可能出現(xiàn)在壓力較低的吸氣級(jí)泵腔間隙處，泵內(nèi)其它大部分流動(dòng)空間Kn較小。

　　(2)由于吸氣通道流導(dǎo)較大，多級(jí)干式真空泵的吸氣級(jí)選擇羅茨型泵腔。

　　(3)多級(jí)干式真空泵泵腔幾何空間及容積變化過(guò)程復(fù)雜，整體建模存在一定困難。

　　本文采用CFD方法并以一實(shí)際干式羅茨真空泵的吸氣級(jí)泵腔為對(duì)象展開(kāi)研究，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

　　根據(jù)以上數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)子與泵腔內(nèi)壁的設(shè)計(jì)間隙為0.25mm，轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子在軸心連線上的嚙合間隙為0.32mm。

　　1.2、動(dòng)網(wǎng)格方法

　　羅茨轉(zhuǎn)子型線復(fù)雜，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)泵腔的容積和形狀不斷變化，需要采用動(dòng)網(wǎng)格方法建立模型。CFX中直角坐標(biāo)系下動(dòng)網(wǎng)格的積分形式守恒方程為

　　式中，Q為流體密度；U為流體的速度；W為控制體邊界移動(dòng)速度；Leff為包含湍流粘度的粘度系數(shù)；„eff為包含湍流擴(kuò)散的擴(kuò)散系數(shù)；U為標(biāo)量，如單位質(zhì)量工質(zhì)的焓值或內(nèi)能；SU、SU為源項(xiàng)；dn為表面的外法向量；i，j代表直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)軸。動(dòng)網(wǎng)格求解應(yīng)滿(mǎn)足幾何守恒律