螺旋槽牵引结构粘滞流态气体流动特性的CFD模拟

真空基础 陈大鹏 合肥工业大学机械与汽车工程学院

  采用计算流体力学(CFD)方法对螺旋槽牵引结构在粘滞流态下的气体流动规律进行了数值模拟,研究了在固定压缩比下螺旋槽牵引结构抽气通道内的压力场、流场变化情况,横截面平均压力,各横截面平均压力与特征长度的乘积以及各横截面与转子进口处的平均压力比。模拟结果表明:通道内的压力变化在抽气通道出口处增大;横截面平均压力呈指数分布;抽气通道各横截面平均压力与特征长度的乘积呈线性分布;各横截面与转子进口处的平均压力比呈指数分布;在靠近出口处有漩涡产生并且漩涡随着压强的增大而增大。本文研究结果表明:计算流体力学(CFD)方法可以有效地模拟真空环境下螺旋槽牵引结构在粘滞流态下的抽气特性。

  螺旋槽牵引结构由于结构简单,可以获得较高的压缩比,被广泛应用于复合分子泵压缩级以及高真空直排大气干泵中。基于克努曾数(Kn= 分子的平均自由程/ 特征长度),螺旋槽牵引结构内的空气流动分为三个不同的阶段:分子流(Kn>10),过渡流(0.1<Kn<10),粘滞流(Kn≤0.1)。对于不同流态下的螺旋槽牵引结构的抽气特性人们提出了许多理论分析方法。对于分子流态,主要有蒙特卡洛(Monte Carlo)方法,统计学方法以及积分方法。对于过渡流态,一般采用半经验公式以及直接蒙特卡洛(Direct Simulation Monte Carlo)方。对于粘滞流态,目前国外研究人员引入了计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法。

  计算流体力学(CFD)方法是通过数值方法求解质量、动量、能量、组分以及自定义的标量等物理量的微分方程组,获得流动、传热、传质等过程的细节。目前,市场上有大量的计算流体力学(CFD) 软件, 如PHOENICS,FLUENT,NUMECA, ANSYS CFX 和STAR- CD 等综合考虑软件对计算机硬件要求、计算精度和计算时间等因素,本文采用ANSYS CFX 13。0 对螺旋槽牵引结构在粘滞流态下的抽气特性进行数值模拟。

1、螺旋槽牵引结构的CFD 模拟

1.1、几何模型

  本文以四叶片变槽深螺旋槽转子,光滑圆筒定子的螺旋槽牵引结构为研究对象,其转子几何模型如图1 所示,其中,OO1 为中心轴,R 为转子外径,R1 为抽气通道出口处内径,R2 为抽气通道进口处内径,H 为转子高度。

螺旋槽牵引级结构

图1 螺旋槽牵引级结构

1.2、创建流体域

  由于本文所研究的四叶片变槽深螺旋槽转子的四个叶片完全相同,并且四个叶片之间的夹角也完全相同,因此,只需对转子的1/4 周期进行模拟计算即可。本文创建的流体域如图2 所示。其中,S1 为进口端静子,R1 为转子,S2 为出口端静子。

流体域模型

图2 流体域模型

1.3、网格划分

  在CFD模拟计算的过程中。网格的质量会显著的影响计算的精度和收敛的速度。本文采用具有先进的O 型网格技术的ANSYS ICEM CFD 进行网格划分。如图3 所示,S1,R1,S2 三部分的网格均采用结构性网格划分。对于S1,如图3(a)所示,在与R1 连接处,靠近光滑圆筒壁面处均采用网格加密。对于S2,如图3(b)所示,在与R1 连接处,靠近光滑圆筒壁面处和靠近转子轮毂处进行网格加密。对于R1,如图3(c)和图3(d)所示,在与S1,S2 连接处,靠近叶片处,靠近光滑圆筒壁面和靠近转子轮毂处进行网格加密。