连续流态下轴向叶片旋涡结构真空抽气特性的CFD模拟

　　为了提高轴向叶片旋涡结构的真空抽气性能，用计算流体力学( CFD) 方法对轴向叶片旋涡结构在连续流态下的真空抽气特性进行模拟，研究了转速、温度、入口质量流量、出口压强、叶片与定子间隙等参数对轴向叶片旋涡结构抽气性能的影响。研究结果表明： 压缩比随转速增大而增大，随温度、入口质量流量、间隙增大而减小，受出口压强影响较小；多级轴向叶片旋涡结构与高真空抽气结构串联，可以获得高真空。

　　近年来，随着真空获得设备的不断发展，人们研制了各种类型的能够代替高真空机组工作的高真空直排大气干泵。轴向叶片旋涡结构主要工作在连续流状态，由于其体积小、结构简单，便于优化设计，并且能够直排大气，因此被应用于高真空直排大气干泵低真空侧的排气。

　　目前，国外内学者对旋涡结构抽气特性的研究主要集中在径向叶片旋涡结构，而对轴向叶片旋涡结构的研究则较少。美国密歇根州立大学涡轮机械实验室的Abraham Engeda，Mukarrum Raheel 等用数值模拟、实验测试等方法对单级和多级的旋涡结构进行了研究，并给出了一些设计参考；韩国学者J. W. Song 等在压缩流动理论的推导及修正方面做了大量研究。在轴向叶片旋涡结构研究方面，英国学者A. D. Chew 等对EPX 干泵旋涡结构的数值模拟进行了简述，但没有对单级结构进行深入研究；国内东北大学的陈瑶等针对径向叶片旋涡结构，用FLUENT 对高真空干泵中旋涡级的内部流动进行了数值模拟，探讨了叶片数目、叶片倾角、流道截面形状对旋涡结构抽气性能的影响。

　　由于理论推导过程复杂、限制较多，实验研究成本高、效率低，因此本文采用数值计算的方法研究分析轴向叶片旋涡结构的真空抽气特性。在不同流态数值计算中，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)发现一般做法是稀薄流用Monte Carlo 方法分析，连续流用数值求解Navier-Stokes 方程分析。

　　考虑到本文研究对象主要工作在连续流状态，因此采用数值方法求解Navier-Stokes 方程对轴向叶片旋涡结构进行研究，获得其流动、传热等过程的细节和数据。综合考虑计算机硬件、计算精度、收敛速度等因素，本文采用ANSYS CFX 13. 0 软件实现上述分析。

1、轴向叶片旋涡结构的计算流体力学模拟

　　1.1、模型创建

　　轴向叶片旋涡结构已经应用在商业产品中，如英国BOC Edwards 公司的EPX 干泵，采用轴向叶片旋涡结构多级串联进行抽气，如图1 所示。

图1 EPX 干泵定子和转子

　　本文以叶片对流道内气体的搅动为研究对象，只考虑叶片与定子的间隙，忽略转子盘与定子的间隙，对单级的轴向叶片旋涡结构进行模拟，其模型示意图如图2 所示，其基本尺寸如图3 所示。叶片数目60 片，隔舌角度30°，如图4 所示。

图2 模型示意图

图3 模型尺寸

图4 流体域模型

　　由于同时存在旋转部件和静止部件，建模时将流体域分为运动域( rotating) 和静止域( stationary) ，并用交界面将两个域连接。交界面取在隔舌处叶片与泵体间隙的中间位置，如图3 虚线处。

2、结论

　　本文对轴向叶片旋涡结构在连续流态下的真空抽气特性进行了数值模拟，通过对模拟计算结果的分析得出以下结论：

　　(1) 计算流体力学方法可以有效模拟连续流态下轴向叶片旋涡结构的真空抽气特性。

　　(2) 压缩比随转速的增大而增大，随温度、入口质量流量、间隙的增大而减小。

　　(3) 入口处在很宽的压强范围内，都有较大抽速。

　　(4) 随着出口压强降低，压缩比有一定升高，但不明显。

　　(5) 多级串联的轴向叶片旋涡结构可以获得很高的压缩比，将气体抽到过渡流状态，与其他高真空抽气结构串联，可以获得高真空。