連續(xù)流態(tài)下軸向葉片旋渦結(jié)構(gòu)真空抽氣特性的CFD模擬

2014-10-12 周佳南合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院

　　為了提高軸向葉片旋渦結(jié)構(gòu)的真空抽氣性能，用計算流體力學(xué)( CFD) 方法對軸向葉片旋渦結(jié)構(gòu)在連續(xù)流態(tài)下的真空抽氣特性進(jìn)行模擬，研究了轉(zhuǎn)速、溫度、入口質(zhì)量流量、出口壓強(qiáng)、葉片與定子間隙等參數(shù)對軸向葉片旋渦結(jié)構(gòu)抽氣性能的影響。研究結(jié)果表明：壓縮比隨轉(zhuǎn)速增大而增大，隨溫度、入口質(zhì)量流量、間隙增大而減小，受出口壓強(qiáng)影響較小；多級軸向葉片旋渦結(jié)構(gòu)與高真空抽氣結(jié)構(gòu)串聯(lián)，可以獲得高真空。

　　近年來，隨著真空獲得設(shè)備的不斷發(fā)展，人們研制了各種類型的能夠代替高真空機(jī)組工作的高真空直排大氣干泵。軸向葉片旋渦結(jié)構(gòu)主要工作在連續(xù)流狀態(tài)，由于其體積小、結(jié)構(gòu)簡單，便于優(yōu)化設(shè)計，并且能夠直排大氣，因此被應(yīng)用于高真空直排大氣干泵低真空側(cè)的排氣。

　　目前，國外內(nèi)學(xué)者對旋渦結(jié)構(gòu)抽氣特性的研究主要集中在徑向葉片旋渦結(jié)構(gòu)，而對軸向葉片旋渦結(jié)構(gòu)的研究則較少。美國密歇根州立大學(xué)渦輪機(jī)械實驗室的Abraham Engeda，Mukarrum Raheel 等用數(shù)值模擬、實驗測試等方法對單級和多級的旋渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并給出了一些設(shè)計參考；韓國學(xué)者J. W. Song 等在壓縮流動理論的推導(dǎo)及修正方面做了大量研究。在軸向葉片旋渦結(jié)構(gòu)研究方面，英國學(xué)者A. D. Chew 等對EPX 干泵旋渦結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬進(jìn)行了簡述，但沒有對單級結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究；國內(nèi)東北大學(xué)的陳瑤等針對徑向葉片旋渦結(jié)構(gòu)，用FLUENT 對高真空干泵中旋渦級的內(nèi)部流動進(jìn)行了數(shù)值模擬，探討了葉片數(shù)目、葉片傾角、流道截面形狀對旋渦結(jié)構(gòu)抽氣性能的影響。

　　由于理論推導(dǎo)過程復(fù)雜、限制較多，實驗研究成本高、效率低，因此本文采用數(shù)值計算的方法研究分析軸向葉片旋渦結(jié)構(gòu)的真空抽氣特性。在不同流態(tài)數(shù)值計算中，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.jnannai.com/)發(fā)現(xiàn)一般做法是稀薄流用Monte Carlo 方法分析，連續(xù)流用數(shù)值求解Navier-Stokes 方程分析。

　　考慮到本文研究對象主要工作在連續(xù)流狀態(tài)，因此采用數(shù)值方法求解Navier-Stokes 方程對軸向葉片旋渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，獲得其流動、傳熱等過程的細(xì)節(jié)和數(shù)據(jù)。綜合考慮計算機(jī)硬件、計算精度、收斂速度等因素，本文采用ANSYS CFX 13. 0 軟件實現(xiàn)上述分析。