螺旋槽牽引結(jié)構(gòu)粘滯流態(tài)氣體流動特性的CFD模擬

　　采用計算流體力學(xué)(CFD)方法對螺旋槽牽引結(jié)構(gòu)在粘滯流態(tài)下的氣體流動規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了在固定壓縮比下螺旋槽牽引結(jié)構(gòu)抽氣通道內(nèi)的壓力場、流場變化情況，橫截面平均壓力，各橫截面平均壓力與特征長度的乘積以及各橫截面與轉(zhuǎn)子進(jìn)口處的平均壓力比。模擬結(jié)果表明：通道內(nèi)的壓力變化在抽氣通道出口處增大;橫截面平均壓力呈指數(shù)分布;抽氣通道各橫截面平均壓力與特征長度的乘積呈線性分布;各橫截面與轉(zhuǎn)子進(jìn)口處的平均壓力比呈指數(shù)分布;在靠近出口處有漩渦產(chǎn)生并且漩渦隨著壓強(qiáng)的增大而增大。本文研究結(jié)果表明：計算流體力學(xué)(CFD)方法可以有效地模擬真空環(huán)境下螺旋槽牽引結(jié)構(gòu)在粘滯流態(tài)下的抽氣特性。

　　螺旋槽牽引結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)簡單，可以獲得較高的壓縮比，被廣泛應(yīng)用于復(fù)合分子泵壓縮級以及高真空直排大氣干泵中�；�于克努曾數(shù)(Kn= 分子的平均自由程/ 特征長度)，螺旋槽牽引結(jié)構(gòu)內(nèi)的空氣流動分為三個不同的階段：分子流(Kn>10)，過渡流(0.1<Kn<10)，粘滯流(Kn≤0.1)。對于不同流態(tài)下的螺旋槽牽引結(jié)構(gòu)的抽氣特性人們提出了許多理論分析方法。對于分子流態(tài)，主要有蒙特卡洛(Monte Carlo)方法，統(tǒng)計學(xué)方法以及積分方法。對于過渡流態(tài)，一般采用半經(jīng)驗公式以及直接蒙特卡洛(Direct Simulation Monte Carlo)方。對于粘滯流態(tài)，目前國外研究人員引入了計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法。

　　計算流體力學(xué)(CFD)方法是通過數(shù)值方法求解質(zhì)量、動量、能量、組分以及自定義的標(biāo)量等物理量的微分方程組，獲得流動、傳熱、傳質(zhì)等過程的細(xì)節(jié)。目前，市場上有大量的計算流體力學(xué)(CFD) 軟件， 如PHOENICS,FLUENT，NUMECA, ANSYS CFX 和STAR- CD 等綜合考慮軟件對計算機(jī)硬件要求、計算精度和計算時間等因素，本文采用ANSYS CFX 13.0 對螺旋槽牽引結(jié)構(gòu)在粘滯流態(tài)下的抽氣特性進(jìn)行數(shù)值模擬。

1、螺旋槽牽引結(jié)構(gòu)的CFD 模擬

1.1、幾何模型

　　本文以四葉片變槽深螺旋槽轉(zhuǎn)子，光滑圓筒定子的螺旋槽牽引結(jié)構(gòu)為研究對象，其轉(zhuǎn)子幾何模型如圖1 所示，其中，OO1 為中心軸，R 為轉(zhuǎn)子外徑，R1 為抽氣通道出口處內(nèi)徑，R2 為抽氣通道進(jìn)口處內(nèi)徑，H 為轉(zhuǎn)子高度。

圖1 螺旋槽牽引級結(jié)構(gòu)

1.2、創(chuàng)建流體域

　　由于本文所研究的四葉片變槽深螺旋槽轉(zhuǎn)子的四個葉片完全相同，并且四個葉片之間的夾角也完全相同，因此，只需對轉(zhuǎn)子的1/4 周期進(jìn)行模擬計算即可。本文創(chuàng)建的流體域如圖2 所示。其中，S1 為進(jìn)口端靜子，R1 為轉(zhuǎn)子，S2 為出口端靜子。

圖2 流體域模型

1.3、網(wǎng)格劃分

　　在CFD模擬計算的過程中。網(wǎng)格的質(zhì)量會顯著的影響計算的精度和收斂的速度。本文采用具有先進(jìn)的O 型網(wǎng)格技術(shù)的ANSYS ICEM CFD 進(jìn)行網(wǎng)格劃分。如圖3 所示，S1，R1，S2 三部分的網(wǎng)格均采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分。對于S1，如圖3(a)所示，在與R1 連接處，靠近光滑圓筒壁面處均采用網(wǎng)格加密。對于S2，如圖3(b)所示，在與R1 連接處，靠近光滑圓筒壁面處和靠近轉(zhuǎn)子輪轂處進(jìn)行網(wǎng)格加密。對于R1，如圖3(c)和圖3(d)所示，在與S1，S2 連接處，靠近葉片處，靠近光滑圓筒壁面和靠近轉(zhuǎn)子輪轂處進(jìn)行網(wǎng)格加密。