罗茨干式真空泵流场瞬态模拟

论文摘要

干式真空泵广泛应用于航天、半导体、化工和医药等行业。随着生产工艺中真空应用领域的不断扩大,对真空泵的性能要求也逐渐加大。目前,干式真空泵的研究主要集中在提高生产加工精度、优化改善转子型线、间隙泄漏量的计算等。采用CFD软件模拟仿真方法研究真空泵腔内部的气体流动情况可以清晰地反映其流动规律,揭示流动本质,并能有效地预测其性能,以解决实际问题,目前对于此类的研究并不多见。本文以罗茨型线干式真空泵的一级泵腔为研究目标模拟分析其内部瞬态流场。首先,以设计尺寸建立罗茨泵腔的三维模型,根据网格运动情况的不同分别划分结构化、非结构化网格。经组合后采用RNG κ-ε湍流模型,根据实际情况设定求解参数。在泵腔内部流动区域中分别采用两种动网格策略,外接Fortran程序设计语言控制动网格节点的更新过程,实现对泵腔变形的模拟。其次,在对比实际抽速曲线验证结果正确性的基础上,根据流场运转平稳时的模拟结果,研究了压力和抽速的周期性波动,描述了泵腔内部气体的流动过程和气流旋涡产生与消失的根本原因,并分析了泵腔内压力场、温度场的分布变化规律最后,基于泵腔流场的瞬态分析结果,采用间接耦合方法在ANSYS多物理场中模拟了泵腔内罗茨转子动态热传导过程,并研究了转子受热变形情况及其对泵腔间隙尺寸的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 干式真空泵
• 1.2 干式真空泵在国内外的研究现状和发展方向
• 1.3 课题研究的内容和意义
• 1.3.1 课题研究的内容
• 1.3.2 课题研究意义
• 第2章 干式真空泵理论
• 2.1 罗茨干式真空泵
• 2.1.1 罗茨真空泵的工作原理
• 2.1.2 罗茨真空泵抽气速率
• 2.1.2.1 理论抽速
• 2.1.2.2 实际抽速
• 2.1.2.3 名义抽速
• 2.2 稀薄气体流动状态分析
• 2.3 计算流体力学（CFD）概述
• 2.3.1 理论流体力学
• 2.3.2 实验流体动力学
• 2.3.3 计算流体力学（CFD）
• 2.4 CFD流场分析的技术路线
• 2.5 本章小结
• 第3章 泵腔流场瞬态模拟
• 3.1 泵腔设计参数
• 3.2 泵腔流场三维模型
• 3.3 网格划分
• 3.3.1 结构化网格
• 3.3.2 非结构化网格
• 3.3.3 流场模型网格划分
• 3.4 罗茨泵腔流场的数值模拟
• 3.4.1 CFD基本控制方程
• 3.4.1.1 三维质量守恒方程
• 3.4.1.2 三维动量方程
• 3.4.1.3 三维能量方程
• 3.4.2 流动控制方程
• 3.5 湍流模型
• 3.5.1 k-ε模型
• 3.5.2 RNG k-ε模型
• 3.6 边界条件与初始条件的设置
• 3.6.1 气体模型的选择
• 3.6.2 模拟条件设置
• 3.6.3 模型中域的设定
• 3.7 动网格方法
• 3.7.1 动网格方法的选择
• 3.7.2 转子与转子啮合区域网格的更新
• 3.7.3 转子与泵腔内壁间区域网格的更新
• 3.7.3.1 罗茨转子型线拟合函数
• 3.7.3.2 泵腔网格的更新
• 3.8 模拟结果与实际工况的对比
• 3.8.1 泵腔入口抽速数据的提取与拟合
• 3.8.2 模拟结果中的抽速值与实际抽速曲线的对比
• 3.9 本章小结
• 第4章 罗茨泵腔瞬态流场分析
• 4.1 模拟方案的改进
• 4.2 流场模拟结果验证
• 4.2.1 抽速对比
• 4.2.2 残差收敛
• 4.3 脉动性分析
• 4.4 泵腔内部气体的流动过程
• 4.5 泵腔内部的流场分析
• 4.5.1 泵腔内温度场分析
• 4.5.2 泵腔内压力场分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 转子动态受热变形分析
• 5.1 传热理论
• 5.2 传热模型
• 5.2.1 气体与转子之间的对流换热
• 5.2.2 转子内部热传导
• 5.2.3 流场与温度场的耦合
• 5.3 罗茨转子三维有限元模型
• 5.3.1 罗茨转子有限元模型的建立
• 5.3.2 罗茨转子模型单元类型与材料属性
• 5.3.3 热边界条件
• 5.4 罗茨转子受热变形模拟研究
• 5.4.1 罗茨转子温度场模拟分析
• 5.4.2 罗茨转子结构变形模拟分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文