無油渦旋真空泵內(nèi)部流場的數(shù)值模擬
在深入理解無油渦旋真空泵的工作原理基礎(chǔ)上，對真空泵的主要部件進(jìn)行三維實(shí)體造型，劃分了若干月牙形工作壓縮腔在不同角度的二維圖，作為分析的控制容積。結(jié)合真空泵壓縮腔的特點(diǎn)建立一系列控制方程，并對建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了合理的簡化和條件假設(shè)。利用FLUENT 模擬真空泵內(nèi)部流場，并對模擬結(jié)果進(jìn)行了的分析和研究，得出無油渦旋真空泵內(nèi)部流場的分布，獲得無油渦旋真空泵流量場的流速場、壓強(qiáng)場等重要信息。為無油渦旋真空泵的強(qiáng)度校核等優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定參考。
為了適應(yīng)生產(chǎn)一些高端產(chǎn)品和特殊應(yīng)用場合對清潔真空環(huán)境的需要，無油渦旋真空泵是近年來得到迅速發(fā)展的高科技真空獲得設(shè)備。作為一種新型的容積式真空泵，無油渦旋真空泵自投放市場以來，相比其他形式的真空泵，在結(jié)構(gòu)、工作效率、可靠性、振動及環(huán)保等方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢，備受青睞。相比普通油泵，無油渦旋真空泵對真空應(yīng)用儀器設(shè)備和環(huán)境沒有污染，并且抽速、壽命、能耗等指標(biāo)均更勝一籌，是未來高端真空泵的發(fā)展趨勢。
無油渦旋真空泵借助容積的變化實(shí)現(xiàn)抽氣過程，這個(gè)過程通過動靜渦旋齒的嚙合形成不斷變化的工作壓縮腔來完成。壓縮腔中的流場分布，如流速場、壓強(qiáng)場等十分復(fù)雜，研究它的變化，對探究無油渦旋真空泵的工作過程、提高其工作效率和可靠性具有一定的實(shí)際參考意義。
1、工作壓縮腔內(nèi)部流場的模擬與分析
氣體流動的數(shù)學(xué)模型建立
無油渦旋真空泵的基本抽氣結(jié)構(gòu)由動渦旋盤和靜渦旋盤組成，而動渦旋盤和靜渦旋盤由具有相同漸開線型線的渦旋體，相位差180 度相對組合而成，并形成數(shù)對月牙狀的封閉容積，即工作壓縮腔，通過工作壓縮腔的容積改變，實(shí)現(xiàn)壓縮氣體的功能。在渦旋真空泵的實(shí)際工作過程中各壓縮腔之間其實(shí)并沒有明顯的界限，是連續(xù)變化的過程。真空壓縮腔內(nèi)的氣體流動是一個(gè)復(fù)雜的流動過程，根據(jù)一些條件假設(shè)，確定研究該流動是一個(gè)三維非定常、穩(wěn)態(tài)的湍流流動。
為了建立數(shù)學(xué)模型的需要，要對一些條件進(jìn)行必要的簡化和假設(shè)：
(1)工作壓縮腔是狹長的幾何形狀，假設(shè)流體流動的方向和渦旋盤旋轉(zhuǎn)的方向一致。
(2)沿齒高方向的各參數(shù)變化較小，又可以把三維流動簡化為一個(gè)二維的問題。
(3)內(nèi)部流體為理想氣體，等壓比熱及其他一些傳遞參數(shù)假設(shè)成為恒定的。
(4)流體流動區(qū)域及周圍無泄漏。
(5)在靠近壁面的壓力梯度成零，湍動能和耗散率采用壁面函數(shù)法來求解。
壓縮腔中的流動為湍流流動，對于湍流流動，由于其流動的復(fù)雜性，通常要借助合適的湍流模型進(jìn)行求解。在計(jì)算求解時(shí)采用應(yīng)用廣泛的兩方程模型，壓力———速度耦合選用SIMPLE算法，在靠近固體壁面的近壁面處采用壁面函數(shù)法。
2、結(jié)論
1、從不同主軸轉(zhuǎn)角位置的速度場曲線中可以得出工作壓縮腔的速度分布情況。對于某個(gè)固定轉(zhuǎn)角位置時(shí)，氣體最大速度都集中在渦旋齒嚙合點(diǎn)附近，由嚙合點(diǎn)逐漸向腔體內(nèi)部遞減。
2、從不同主軸轉(zhuǎn)角位置的壓力場曲線中可以得出工作壓縮腔的壓力分布情況。對于某個(gè)固定轉(zhuǎn)角位置時(shí)，腔體內(nèi)的最大壓力都集中在渦旋齒嚙合點(diǎn)附近，由嚙合點(diǎn)逐漸向腔體內(nèi)部遞減。
3、在模擬真空泵不同轉(zhuǎn)角的流場分布時(shí)，提出了利用小角度(步長為1°)離散數(shù)值模擬，代替連續(xù)的工作過程的方法，得到了入口邊界條件的經(jīng)驗(yàn)方程。
4、從模擬數(shù)據(jù)曲線與擬合數(shù)據(jù)曲線來看，壓力和速度場的分布不均勻，隨主軸轉(zhuǎn)角的增加，變化速率逐漸增加。仿真結(jié)果與實(shí)際工況下，真空泵運(yùn)行過程中，壓力分布以及速度分布的情況基本吻合，進(jìn)一步說明CFD 方法在研究無油渦旋真空泵內(nèi)部流場模擬方面的可行性。
