川崎前锋雷纳托:螺旋槽牽引結構粘滯流態氣體流動特性的CFD模擬

真空基礎 陳大鵬 合肥工業大學機械與汽車工程學院

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  采用計算流體力學(CFD)方法對螺旋槽牽引結構在粘滯流態下的氣體流動規律進行了數值模擬,研究了在固定壓縮比下螺旋槽牽引結構抽氣通道內的壓力場、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子進口處的平均壓力比。模擬結果表明:通道內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;各橫截面與轉子進口處的平均壓力比呈指數分布;在靠近出口處有漩渦產生并且漩渦隨著壓強的增大而增大。本文研究結果表明:計算流體力學(CFD)方法可以有效地模擬真空環境下螺旋槽牽引結構在粘滯流態下的抽氣特性。

  螺旋槽牽引結構由于結構簡單,可以獲得較高的壓縮比,被廣泛應用于復合分子泵壓縮級以及高真空直排大氣干泵中?;誑伺?Kn= 分子的平均自由程/ 特征長度),螺旋槽牽引結構內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)。對于不同流態下的螺旋槽牽引結構的抽氣特性人們提出了許多理論分析方法。對于分子流態,主要有蒙特卡洛(Monte Carlo)方法,統計學方法以及積分方法。對于過渡流態,一般采用半經驗公式以及直接蒙特卡洛(Direct Simulation Monte Carlo)方。對于粘滯流態,目前國外研究人員引入了計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法。

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

1、螺旋槽牽引結構的CFD 模擬

1.1、幾何模型

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

螺旋槽牽引級結構

圖1 螺旋槽牽引級結構

1.2、創建流體域

  由于本文所研究的四葉片變槽深螺旋槽轉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,只需對轉子的1/4 周期進行模擬計算即可。本文創建的流體域如圖2 所示。其中,S1 為進口端靜子,R1 為轉子,S2 為出口端靜子。

流體域模型

圖2 流體域模型

1.3、網格劃分

  在CFD模擬計算的過程中。網格的質量會顯著的影響計算的精度和收斂的速度。本文采用具有先進的O 型網格技術的ANSYS ICEM CFD 進行網格劃分。如圖3 所示,S1,R1,S2 三部分的網格均采用結構性網格劃分。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子輪轂處進行網格加密。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子輪轂處進行網格加密。