螺旋槽式牵引泵过渡流态抽气特性的直接蒙特卡洛模拟

2009-10-31 王晓冬东北大学真空与流体工程研究中心

　　螺旋槽式牵引分子泵(以下简称牵引泵,DMP)结构简单,可以获得很高的压缩比,是国际上复合分子泵压缩级以及高真空直排大气干泵中采用的主要结构形式。牵引泵的抽气性能与抽气通道的几何形状密切相关,因此,其结构优化一直是其设计研究的重点之一。

　　在牵引泵的设计和性能计算中,人们提出了一些结构设计方法和理论分析方法,其中多是计算分子流态下泵的性能,对过渡流态,一般采用半经验公式,对转子和定子之间的间隙泄漏尚缺乏足够精度的评估。随着计算机技术的发展,近些年来,有人采用直接模拟蒙特卡洛(Direct Simulation Monte Carlo,DSMC)方法等数值模拟的方法,考虑定子与转子的间隙返流,对牵引泵的抽气性能进行了模拟计算,取得了一些成果。最近计算流体力学(CFD)方法也被引入到对螺旋槽式牵引分子泵的流动分析中。到目前为止,尚缺乏对过渡流态下抽气通道几何参数与抽气性能的系统研究。

　　DSMC方法是基于概率理论,能模拟包括非平衡化学反应以及热辐射等物理化学过程在内的稀薄气体流动问题。该方法采用单元网格划分、碰撞抽样、运动与碰撞解耦等来统计和分析分子的运动、碰撞、反射、旋转、化学反应等过程,记录分子的位置、速度、温度、分子数密度、自由度、动量、动能等微观参数,并能得出气体的宏观流动参数、流动特性等流场信息,从而可以对分子进行运动学、动力学、热力学分析。本文采用DSMC方法,对过渡流态下牵引泵抽气通道进行三维建模,并系统分析几何参数与抽气性能的关系。

1、牵引泵的DSMC模拟方法

1.1、几何模型

　　以转子开有螺旋槽、定子为光滑筒的牵引泵为研究对象。转子结构如图1所示,其中,R₀为抽气通道入口半径、R₁为抽气通道出口半径、R_M为转子外半径、φ为螺旋通道与转子夹角、Z为转子高、α为螺旋升角、θ为螺旋槽开口圆心角。

牵引转子结构

图1 　牵引转子结构

1.2、DSMC模拟流程

　　DSMC模拟流程如图2所示。对三维流动的模拟,需要调用多个子程序和子函数,具体参见真空技术网另文。

DSMC计算程序框图

图2 　DSMC计算程序框图

1.3、网格划分

　　定义坐标系中的三个变量:螺旋锥角γ、螺旋开口角度β以及高度H,并依此划分结构化网格。其中锥角γ的变化范围:φ～π/2;开口角度β的变化范围:0～θ;高度H 的变化范围:0～Z。抽气通道的网格划分如图3 所示。

抽气通道网格部分

图3 　抽气通道网格部分

1.4、气体分子碰撞模型

　　在牵引泵抽气通道内,对气体分子运动和碰撞进行计算时,时间步长的设计要保证分子在一个运动步长中不会直接穿越单元网格进入相邻单元网格中,同时要考虑气体分子的最可几速率以及分子受牵引携带后的速度。通过计算确定单元网格内部碰撞几率,并根据碰撞模型进行运动模拟。本研究采用可变软球(variable soft sphere ,VSS))碰撞模型。