涡旋真空泵运行工况流场的计算机模拟研究

　　涡旋真空泵是利用涡旋原理研制的一种真空获得设备，它利用容积的变化来实现气体的压缩与输运。涡旋真空泵主要由动、定涡旋盘与机座、曲轴、涡旋盘顶部密封条、防自转机构以及驱动电机等部件组成。

　　作为一种新型清洁无油真空获得设备，涡旋真空泵由于结构方面的原因，性能影响因素比较多。在对各部件进行设计时，既要考虑各部件之间严格的公差配合，保证泵的正常运行，达到要求的极限真空度和抽速，又要保持在抽真空过程中低振动、低泄漏量、高压缩比等诸多性能。这样，在设计优化阶段对涡旋真空泵进行相关参数模拟分析就显得很有必要。

　　本文通过对涡旋真空泵运行过程中动、定涡旋盘啮合形成的月牙形封闭压缩腔内流场的模拟，分析涡旋真空泵内部的压力场分布情况和排气口速度场分布情况。模拟分析主要采用有限元分析软件ANSYS 和C++语言进行。

图1 涡旋真空泵工作过程模拟

1、涡旋真空泵工况分析及试验条件的简化

1.1、工况分析

　　涡旋真空泵对气体的压缩输运过程主要是低压气体被从大定涡旋盘上开设的吸气口吸入，在动、定涡旋盘围成的月牙形封闭压缩腔中对气体封闭、压缩、输运，随动涡旋盘经1440°旋转后，压缩气体由大定涡旋盘中心处的排气口排出。在涡旋真空泵运行期间，月牙形封闭压缩腔内气体的压力场和速度场呈周期性变化。

1.2、实验条件简化模型

　　在ANSYS中采用直接建模的方法，依据涡旋真空泵实际原形大小，结合排气口的结构形状特点，参照相应的简化模型尺寸建模，最后得到比较合理的排气口速度场圆台状的三维模型，采用精细度最适宜的智能网格划分方法，施加边界条件后生成三维有限元立体模型如图2 所示。

图2 排气口速度场有限元立体模型图

2、速度场的ANSYS模拟结果

　　实验模拟基本参数设定为：电机功率750W，排气口压力101350Pa ，转速1450r/min ，流量8L/s ，泵材质为铝合金，重量36kg，极限真空度为1Pa。

　　模拟过程中采用国际统一单位：米、帕斯卡、秒、开尔文、牛顿、千克等，具体使用的主要参数为：空气密度为2.7^{- 6}，粘滞系数为2^{- 5}, 紊流动能取值-1，紊流能量耗散率取值-1。

　　通过流量计算, 得出排气口速度为212m/s，采用FLOTRAN CFD模块和定义单元类型3DFLOTRAN 142,在ANSYS中对排气口速度场进行工况模拟，结果如图3所示：