三葉轉(zhuǎn)子氣冷式羅茨真空泵的流場數(shù)值分析

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1、三葉轉(zhuǎn)子氣冷式羅茨真空泵的流場數(shù)值分析氣冷式羅茨真空泵具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，近年來廣泛應(yīng)用于大型空間模擬裝置、汽輪機(jī)動(dòng)平衡裝置、化工等各行業(yè)，市場前景廣闊、經(jīng)濟(jì)效益顯著。在中已經(jīng)對氣冷式羅茨真空泵轉(zhuǎn)子的型線進(jìn)行分析比較，從中可知在泵的中心距和外圓半徑相同的條件下，轉(zhuǎn)子葉數(shù)越多溶積利用系數(shù)X越大。目前國內(nèi)的氣冷式羅茨真空泵的轉(zhuǎn)子基本上是兩葉竟頭圓弧擺線型線，試驗(yàn)表明將氣冷式羅茨真空泵的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)從兩葉圓弧擺線轉(zhuǎn)子改為三葉圓弧擺線轉(zhuǎn)子，可顯著提高抽氣速率和降低聲。氣冷式羅茨真空泵的結(jié)構(gòu)及運(yùn)轉(zhuǎn)特點(diǎn)使其難以通過實(shí)驗(yàn)工具對內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行檢測。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CFD越來越多地應(yīng)用于流體設(shè)備的設(shè)計(jì)

2、和流場分析中，CFD數(shù)值模擬可真實(shí)地顯示流體的流動(dòng)狀況。本文采用廣泛應(yīng)用于CFD行業(yè)的FLUENT軟件模擬三葉轉(zhuǎn)子氣冷式羅茨真空泵的內(nèi)部流動(dòng)，分析內(nèi)部流場的流動(dòng)情況，為氣冷式羅茨真空泵及同類產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供。1計(jì)算模型1.1基本方程連續(xù)性方程鄆鄆t運(yùn)動(dòng)方程鄆t鄆A鄆Xi廣式⑴（5,為密度，為時(shí)間從為速度矢量，v、w是速度矢量ui在X、、、、方向的分量）是流體微單元體上的壓力，是動(dòng)力粘度，u、Sv、Sw是動(dòng)量守恒方程的廣義源項(xiàng)，p是比熱容，T為溫度,為流體的傳熱系數(shù)，T為粘性耗散項(xiàng)。1.2湍流模型湍流模型采用RNGk-e模型，該模型考慮了平均流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)及旋流流動(dòng)情況，能夠更好地處理高應(yīng)變率及

3、流線彎曲程度較大的流動(dòng)。k方程和e方程分別為：（鶴）+?今式（6）、（7）中Gk是由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)。1?由于泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子在一個(gè)周期內(nèi)各個(gè)時(shí)刻的位置在發(fā)生變化，其流道形狀也在不斷變化。通過定義型函數(shù)采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)。1.4模型建立及網(wǎng)格劃分建立三葉圓弧擺線轉(zhuǎn)子氣冷式羅茨真空泵的模型其主要參數(shù)有：抽氣速率為300L/S,中心距180mm,電機(jī)轉(zhuǎn)速為由于計(jì)算模型為非定常，計(jì)算區(qū)域劃分網(wǎng)格的尺寸小，劃分的總體網(wǎng)格數(shù)大，計(jì)算時(shí)間較長，三維模型徑向截面流動(dòng)同二維的流動(dòng)情況基本相同，二維計(jì)算模型能夠滿足流場分析的需求，因此計(jì)算中釆用了二維模型。為三葉圓弧擺線轉(zhuǎn)子氣冷式羅茨真

4、空泵二維流道模型。為便于計(jì)算以及盡量減少網(wǎng)格數(shù)，進(jìn)氣、排氣非旋轉(zhuǎn)區(qū)域因?yàn)樵谟?jì)算過程中網(wǎng)格沒有變化，釆用四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；旋轉(zhuǎn)流場區(qū)域網(wǎng)格隨時(shí)間變化，為減小不同時(shí)刻網(wǎng)格的扭曲率以及計(jì)算的收斂性深用三角形網(wǎng)格。整個(gè)流場的初始網(wǎng)格數(shù)為115340,網(wǎng)格最大扭曲率為0505867.1.5邊界條件及初始條件設(shè)置邊界條件設(shè)置如下進(jìn)氣壓強(qiáng)為5000Pa,進(jìn)氣溫度為20C；排氣壓強(qiáng)為20000Pa,排氣溫度為140C；左石兩返冷氣壓強(qiáng)為20000Pa,溫度為30C?上述所采用的壓強(qiáng)均為絕對壓強(qiáng)值。流動(dòng)介質(zhì)采用空氣，按理想氣體設(shè)置屬性，初始化整個(gè)流場。2數(shù)值模擬結(jié)果及分析2.1確定流場分析的位置由于泵開始旋轉(zhuǎn)階

5、段內(nèi)部流場的流動(dòng)不穩(wěn)定，為保證分析的流場內(nèi)部流動(dòng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，取轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一定角度，分析其典型位置的流場狀況。以石轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)如下角度進(jìn)行分析。125.13?位置為進(jìn)氣腔與石轉(zhuǎn)子工作腔間的流道開始變?。蛔筠D(zhuǎn)子工作腔芫全與返冷氣口相通并與排氣腔隔離。143.01.位置為石轉(zhuǎn)子工作腔封閉，左轉(zhuǎn)子工作腔繼續(xù)與返冷氣口相通并與排氣腔隔離。89。位置為石轉(zhuǎn)子工作腔開始與返冷氣口、排氣腔相通，左轉(zhuǎn)了工作腔即將與排氣腔相通。169.82位置為石轉(zhuǎn)子工作腔芫全與返冷氣口相通并與排氣腔隔離；左轉(zhuǎn)子工作腔與排氣腔相通。39位置為石轉(zhuǎn)子工作腔與排氣腔相通，左轉(zhuǎn)子工作腔與返冷氣口相通并開始與排氣腔隔離。2.2壓強(qiáng)分布

6、至為上述位置的泵內(nèi)部流場壓強(qiáng)等值線分布圖。從圖中可以看出，各個(gè)位置的進(jìn)氣腔壓強(qiáng)分布較均勻，大部分區(qū)域的壓強(qiáng)為設(shè)定的進(jìn)氣壓強(qiáng)，在轉(zhuǎn)子的齒根附近，形成低于進(jìn)氣壓強(qiáng)的區(qū)域，低壓區(qū)域隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)被轉(zhuǎn)子帶入工作腔。各圖中的最小壓強(qiáng)均出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)子與泵內(nèi)壁的間隙處。由于存在間隙，高壓區(qū)域氣體通過間隙向低壓氣體區(qū)域高速返流，導(dǎo)致壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，壓強(qiáng)降低。各個(gè)位置的工作腔壓強(qiáng)隨著位置的不同，壓強(qiáng)發(fā)生較大變化。進(jìn)氣腔與工作腔相通及工作腔封閉兩個(gè)狀態(tài)，工作腔內(nèi)的壓強(qiáng)基本不變，如、中的石工作腔。當(dāng)工作腔與返冷氣口、排氣腔同時(shí)相通時(shí)，腔內(nèi)壓強(qiáng)上升至6000Pa左石，如中的石工作腔。當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)至169.

7、82.位置，也就是工作腔開始與返冷氣口相通但與排氣腔隔離的位置，工作腔壓強(qiáng)增大至16000Pa左石，而不是所預(yù)測的20000Pa,如的石工作腔。工作腔與返冷氣口相通但與排氣腔隔離的整個(gè)過程中，見、、和的左工作腔，腔內(nèi)壓強(qiáng)從16000Pa逐漸升到20000Pa.各個(gè)位置的排氣腔壓強(qiáng)為邊界條件設(shè)定的排氣壓強(qiáng)2.3進(jìn)氣腔速度分布從至0各位置的進(jìn)氣腔速度矢量圖可看出，進(jìn)氣腔的氣體受轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓及轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子