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《东北大学》 2015年
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涡旋干泵内气体流动的数值模拟研究

陆艳君  
【摘要】:涡旋干式真空泵清洁无油、性能可靠、转矩变化小、适应恶劣运行条件能力强,在半导体产业、化工、制药、科学仪器等重要行业和领域的应用越来越多。由于涡旋干式真空泵可能面临复杂苛刻的抽气条件,如温度和压力的变化、腐蚀性气体、粉尘颗粒等,因此,进一步研究泵内的流体力学和热力学特性十分有必要。本课题主要研究涡旋干泵内气体流动的CFD模拟方法。根据涡旋干泵的结构,建立其内部流动区域的三维模型,并借助ICEM软件对流动模型进行网格划分,应用弹性平滑动网格方法实现网格的更新。通过CFX(14.0)软件,并采用瞬态模拟方法模拟涡旋泵泵腔内流场和温度场,研究内部气体流动过程,分析其内部速度、温度、压力等参数分布规律。本文首先基于CFD方法和动网格技术建立了单侧涡旋干式真空泵内瞬态流动的仿真模型,并对粘滞流态下“欠压缩”、“稍过压缩”和“过压缩”三种典型工况进行了数值计算。模拟结果与实验或理论计算基本符合,具体为:预测的抽速与实验数据对比,最大误差约为30%,最小误差接近10%;预测的压缩功率符合近似多变过程的理论预期;模拟的泵内压力与实验测量也具有一致的变化过程。仿真模型与物理实验的对比分析表明,根据实际情况修正几何参数和边界条件,可显著提高数值计算的准确程度。文中进一步分析了排气侧涡旋压缩腔排气时的主要流动现象和特征,印证了“欠压缩”和“过压缩”导致排气口侧涡旋压缩腔内压力的大幅度变化和气体压缩转矩的显著波动。其次,本文针对美国VARIAN TriScroll 300双侧涡旋干式真空泵实体建立了双测涡旋干式真空泵流动区域的几何模型,并基于ANSYS-CFX技术平台和动网格技术建立了双侧涡旋干式真空泵内瞬态流动的仿真模型。分析了泵内的工作过程、流动现象及流动特征、温度及压力分布,为进一步研究干式涡旋真空泵的理论和设计问题提供理论基础。本文还对流动过程中的间隙泄漏、余隙容积内气体的膨胀流动、湍流涡旋的分布等现象进行了观察,分析了这些现象对涡旋干泵性能的影响。尽管目前的研究工作还有需要改善的地方,但对提高涡旋干泵研究水平和工作性能仍具有重要的现实意义。
【学位授予单位】:东北大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TB752

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