無(wú)油渦旋真空泵內部流場(chǎng)的數值模擬
在深入理解無(wú)油渦旋真空泵的工作原理基礎上，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，并對建立的數學(xué)模型進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化和條件假設。利用FLUENT 模擬真空泵內部流場(chǎng)，并對模擬結果進(jìn)行了的分析和研究，得出無(wú)油渦旋真空泵內部流場(chǎng)的分布，獲得無(wú)油渦旋真空泵流量場(chǎng)的流速場(chǎng)、壓強場(chǎng)等重要信息。為無(wú)油渦旋真空泵的強度校核等優(yōu)化設計提供一定參考。
為了適應生產(chǎn)一些高端產(chǎn)品和特殊應用場(chǎng)合對清潔真空環(huán)境的需要，無(wú)油渦旋真空泵是近年來(lái)得到迅速發(fā)展的高科技真空獲得設備。作為一種新型的容積式真空泵，無(wú)油渦旋真空泵自投放市場(chǎng)以來(lái)，相比其他形式的真空泵，在結構、工作效率、可靠性、振動(dòng)及環(huán)保等方面有著(zhù)獨特的優(yōu)勢，備受青睞。相比普通油泵，無(wú)油渦旋真空泵對真空應用儀器設備和環(huán)境沒(méi)有污染，并且抽速、壽命、能耗等指標均更勝一籌，是未來(lái)高端真空泵的發(fā)展趨勢。
無(wú)油渦旋真空泵借助容積的變化實(shí)現抽氣過(guò)程，這個(gè)過(guò)程通過(guò)動(dòng)靜渦旋齒的嚙合形成不斷變化的工作壓縮腔來(lái)完成。壓縮腔中的流場(chǎng)分布，如流速場(chǎng)、壓強場(chǎng)等十分復雜，研究它的變化，對探究無(wú)油渦旋真空泵的工作過(guò)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、工作壓縮腔內部流場(chǎng)的模擬與分析
氣體流動(dòng)的數學(xué)模型建立
無(wú)油渦旋真空泵的基本抽氣結構由動(dòng)渦旋盤(pán)和靜渦旋盤(pán)組成，而動(dòng)渦旋盤(pán)和靜渦旋盤(pán)由具有相同漸開(kāi)線(xiàn)型線(xiàn)的渦旋體，相位差180 度相對組合而成，并形成數對月牙狀的封閉容積，即工作壓縮腔，通過(guò)工作壓縮腔的容積改變，實(shí)現壓縮氣體的功能。在渦旋真空泵的實(shí)際工作過(guò)程中各壓縮腔之間其實(shí)并沒(méi)有明顯的界限，是連續變化的過(guò)程。真空壓縮腔內的氣體流動(dòng)是一個(gè)復雜的流動(dòng)過(guò)程，根據一些條件假設，確定研究該流動(dòng)是一個(gè)三維非定常、穩態(tài)的湍流流動(dòng)。
為了建立數學(xué)模型的需要，要對一些條件進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化和假設：
(1)工作壓縮腔是狹長(cháng)的幾何形狀，假設流體流動(dòng)的方向和渦旋盤(pán)旋轉的方向一致。
(2)沿齒高方向的各參數變化較小，又可以把三維流動(dòng)簡(jiǎn)化為一個(gè)二維的問(wèn)題。
(3)內部流體為理想氣體，等壓比熱及其他一些傳遞參數假設成為恒定的。
(4)流體流動(dòng)區域及周?chē)鸁o(wú)泄漏。
(5)在靠近壁面的壓力梯度成零，湍動(dòng)能和耗散率采用壁面函數法來(lái)求解。
壓縮腔中的流動(dòng)為湍流流動(dòng)，對于湍流流動(dòng)，由于其流動(dòng)的復雜性，通常要借助合適的湍流模型進(jìn)行求解。在計算求解時(shí)采用應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法。
2、結論
1、從不同主軸轉角位置的速度場(chǎng)曲線(xiàn)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)逐漸向腔體內部遞減。
2、從不同主軸轉角位置的壓力場(chǎng)曲線(xiàn)中可以得出工作壓縮腔的壓力分布情況。對于某個(gè)固定轉角位置時(shí)，腔體內的最大壓力都集中在渦旋齒嚙合點(diǎn)附近，由嚙合點(diǎn)逐漸向腔體內部遞減。
3、在模擬真空泵不同轉角的流場(chǎng)分布時(shí)，提出了利用小角度(步長(cháng)為1°)離散數值模擬，代替連續的工作過(guò)程的方法，得到了入口邊界條件的經(jīng)驗方程。
4、從模擬數據曲線(xiàn)與擬合數據曲線(xiàn)來(lái)看，壓力和速度場(chǎng)的分布不均勻，隨主軸轉角的增加，變化速率逐漸增加。仿真結果與實(shí)際工況下，真空泵運行過(guò)程中，壓力分布以及速度分布的情況基本吻合，進(jìn)一步說(shuō)明CFD 方法在研究無(wú)油渦旋真空泵內部流場(chǎng)模擬方面的可行性。
