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羅茨真空泵的瞬態模擬

  干式真空泵作為核心裝備廣泛應用于半導體產業、太陽能電池制造、化工、制藥等重要行業, 其研發和生產越來越受到重視。干式真空泵有多種結構形式,其中主要有多級羅茨式、多級爪式、組合式(羅茨+爪型)和螺桿式等,抽氣過程中氣體的溫度和壓力存在復雜的變化。目前, 除制造裝配要求精度高、加工難度大等制約因素外,設計理論也亟待提高,如轉子熱變形及對間隙的影響、空氣動力性噪聲的產生與控制、顆粒物的抽除及在腔內的運動等問題都值得深入分析, 因此,對泵腔的流場進行研究具有重要意義。

  近年來,計算流體力學(CFD ,Computational FluidDynamics)發展迅速并被應用于流體機械內部流場的研究。在真空技術領域也不斷有 CFD 的應用成果被報道, Boulon 和 Cheng 等研究了復合分子泵Holweck 排氣級和渦輪增壓泵內的流動模擬問題;Wang 等對不同運轉條件下蒸汽噴射泵的性能進行了數值計算。本文以多級干式真空泵的羅茨型吸氣級泵腔為研究對象, 基于CFD 通用軟件AN-SYS -CFX 并采用動網格方法對泵內的瞬態流動進行了數值計算, 討論了CFD 方法的適用性, 分析了氣體的流動現象和流場分布, 為進一步研究干式真空泵內的物理過程和理論問題進行了有益的嘗試.

  通過學者的研究得出以下結論

  (1)應用動網格方法建立了干式真空泵羅茨吸氣級內流動的瞬態模擬模型, 針對泵腔間隙接近0.1 mm 的實際機型, 在入口壓力為 100 和 1000 Pa時,與抽速曲線對比 CFD 數值結果的誤差分別為34.2 %和11.5 %。

  (2)CFD 方法難以適用于入口壓力較低及極限真空時干式真空泵內的流動分析, 但在入口壓力較高時具有較好的數值精度, 具體應用中可依據工程實際允許的精度要求確定適當的入口壓力范圍。

  (3)模擬計算了真空泵的性能并對其內部的流動現象進行了分析, 指出羅茨型泵腔內存在位置、大小和強度不斷變化的旋渦流動,并給出了泵腔內溫度分布的變化。本文的研究結果有待結合工程實踐進一步檢驗和完善,其對干式真空泵設計和理論研究的幫助作用是可以預見的。

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