无油涡旋真空泵内部流场的数值模拟

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北大学机械工程与自动化学院 作者:李博睿

  在深入理解无油涡旋真空泵的工作原理基础上,对真空泵的主要部件进行三维实体造型,划分了若干月牙形工作压缩腔在不同角度的二维图,作为分析的控制容积。结合真空泵压缩腔的特点建立一系列控制方程,并对建立的数学模型进行了合理的简化和条件假设。利用FLUENT 模拟真空泵内部流场,并对模拟结果进行了的分析和研究,得出无油涡旋真空泵内部流场的分布,获得无油涡旋真空泵流量场的流速场、压强场等重要信息。为无油涡旋真空泵的强度校核等优化设计提供一定参考。

  为了适应生产一些高端产品和特殊应用场合对清洁真空环境的需要,无油涡旋真空泵是近年来得到迅速发展的高科技真空获得设备。作为一种新型的容积式真空泵,无油涡旋真空泵自投放市场以来,相比其他形式的真空泵,在结构、工作效率、可靠性、振动及环保等方面有着独特的优势,备受青睐。相比普通油泵,无油涡旋真空泵对真空应用仪器设备和环境没有污染,并且抽速、寿命、能耗等指标均更胜一筹,是未来高端真空泵的发展趋势。

  无油涡旋真空泵借助容积的变化实现抽气过程,这个过程通过动静涡旋齿的啮合形成不断变化的工作压缩腔来完成。压缩腔中的流场分布,如流速场、压强场等十分复杂,研究它的变化,对探究无油涡旋真空泵的工作过程、提高其工作效率和可靠性具有一定的实际参考意义。

1、工作压缩腔内部流场的模拟与分析

  气体流动的数学模型建立

  无油涡旋真空泵的基本抽气结构由动涡旋盘和静涡旋盘组成,而动涡旋盘和静涡旋盘由具有相同渐开线型线的涡旋体,相位差180 度相对组合而成,并形成数对月牙状的封闭容积,即工作压缩腔,通过工作压缩腔的容积改变,实现压缩气体的功能。在涡旋真空泵的实际工作过程中各压缩腔之间其实并没有明显的界限,是连续变化的过程。真空压缩腔内的气体流动是一个复杂的流动过程,根据一些条件假设,确定研究该流动是一个三维非定常、稳态的湍流流动。

  为了建立数学模型的需要,要对一些条件进行必要的简化和假设:

  (1)工作压缩腔是狭长的几何形状,假设流体流动的方向和涡旋盘旋转的方向一致。

  (2)沿齿高方向的各参数变化较小,又可以把三维流动简化为一个二维的问题。

  (3)内部流体为理想气体,等压比热及其他一些传递参数假设成为恒定的。

  (4)流体流动区域及周围无泄漏。

  (5)在靠近壁面的压力梯度成零,湍动能和耗散率采用壁面函数法来求解。

  压缩腔中的流动为湍流流动,对于湍流流动,由于其流动的复杂性,通常要借助合适的湍流模型进行求解。在计算求解时采用应用广泛的两方程模型,压力———速度耦合选用SIMPLE算法,在靠近固体壁面的近壁面处采用壁面函数法。

2、结论

  1、从不同主轴转角位置的速度场曲线中可以得出工作压缩腔的速度分布情况。对于某个固定转角位置时,气体最大速度都集中在涡旋齿啮合点附近,由啮合点逐渐向腔体内部递减。

  2、从不同主轴转角位置的压力场曲线中可以得出工作压缩腔的压力分布情况。对于某个固定转角位置时,腔体内的最大压力都集中在涡旋齿啮合点附近,由啮合点逐渐向腔体内部递减。

  3、在模拟真空泵不同转角的流场分布时,提出了利用小角度(步长为1°)离散数值模拟,代替连续的工作过程的方法,得到了入口边界条件的经验方程。

  4、从模拟数据曲线与拟合数据曲线来看,压力和速度场的分布不均匀,随主轴转角的增加,变化速率逐渐增加。仿真结果与实际工况下,真空泵运行过程中,压力分布以及速度分布的情况基本吻合,进一步说明CFD 方法在研究无油涡旋真空泵内部流场模拟方面的可行性。

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