連續(xù)流態(tài)下軸向葉片旋渦結(jié)構(gòu)真空抽氣特性的CFD模擬

2014-10-12 周佳南合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院

　　為了提高軸向葉片旋渦結(jié)構(gòu)的真空抽氣性能，用計算流體力學( CFD) 方法對軸向葉片旋渦結(jié)構(gòu)在連續(xù)流態(tài)下的真空抽氣特性進行模擬，研究了轉(zhuǎn)速、溫度、入口質(zhì)量流量、出口壓強、葉片與定子間隙等參數(shù)對軸向葉片旋渦結(jié)構(gòu)抽氣性能的影響。研究結(jié)果表明：壓縮比隨轉(zhuǎn)速增大而增大，隨溫度、入口質(zhì)量流量、間隙增大而減小，受出口壓強影響較��；多級軸向葉片旋渦結(jié)構(gòu)與高真空抽氣結(jié)構(gòu)串聯(lián)，可以獲得高真空。

　　近年來，隨著真空獲得設(shè)備的不斷發(fā)展，人們研制了各種類型的能夠代替高真空機組工作的高真空直排大氣干泵。軸向葉片旋渦結(jié)構(gòu)主要工作在連續(xù)流狀態(tài)，由于其體積小、結(jié)構(gòu)簡單，便于優(yōu)化設(shè)計，并且能夠直排大氣，因此被應用于高真空直排大氣干泵低真空側(cè)的排氣。

　　目前，國外內(nèi)學者對旋渦結(jié)構(gòu)抽氣特性的研究主要集中在徑向葉片旋渦結(jié)構(gòu)，而對軸向葉片旋渦結(jié)構(gòu)的研究則較少。美國密歇根州立大學渦輪機械實驗室的Abraham Engeda，Mukarrum Raheel 等用數(shù)值模擬、實驗測試等方法對單級和多級的旋渦結(jié)構(gòu)進行了研究，并給出了一些設(shè)計參考；韓國學者J. W. Song 等在壓縮流動理論的推導及修正方面做了大量研究。在軸向葉片旋渦結(jié)構(gòu)研究方面，英國學者A. D. Chew 等對EPX 干泵旋渦結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬進行了簡述，但沒有對單級結(jié)構(gòu)進行深入研究；國內(nèi)東北大學的陳瑤等針對徑向葉片旋渦結(jié)構(gòu)，用FLUENT 對高真空干泵中旋渦級的內(nèi)部流動進行了數(shù)值模擬，探討了葉片數(shù)目、葉片傾角、流道截面形狀對旋渦結(jié)構(gòu)抽氣性能的影響。

　　由于理論推導過程復雜、限制較多，實驗研究成本高、效率低，因此本文采用數(shù)值計算的方法研究分析軸向葉片旋渦結(jié)構(gòu)的真空抽氣特性。在不同流態(tài)數(shù)值計算中，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)發(fā)現(xiàn)一般做法是稀薄流用Monte Carlo 方法分析，連續(xù)流用數(shù)值求解Navier-Stokes 方程分析。

　　考慮到本文研究對象主要工作在連續(xù)流狀態(tài)，因此采用數(shù)值方法求解Navier-Stokes 方程對軸向葉片旋渦結(jié)構(gòu)進行研究，獲得其流動、傳熱等過程的細節(jié)和數(shù)據(jù)。綜合考慮計算機硬件、計算精度、收斂速度等因素，本文采用ANSYS CFX 13. 0 軟件實現(xiàn)上述分析。