三叶转子气冷式罗茨真空泵的流场数值分析

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1、三叶转子气冷式罗茨真空泵的流场数值分析气冷式罗茨真空泵具有结构简单、工作可靠等优点，近年来广泛应用于大型空间模拟装置、汽轮机动平衡装置、化工等各行业，市场前景广阔、经济效益显著。在中已经对气冷式罗茨真空泵转子的型线进行分析比较，从中可知在泵的中心距和外圆半径相同的条件下，转子叶数越多溶积利用系数X越大。目前国内的气冷式罗茨真空泵的转子基本上是两叶竟头圆弧摆线型线，试验表明将气冷式罗茨真空泵的转子结构从两叶圆弧摆线转子改为三叶圆弧摆线转子，可显著提高抽气速率和降低声。气冷式罗茨真空泵的结构及运转特点使其难以通过实验工具对内部流动进行检测。随着计算机技术的发展，CFD越来越多地应用于流体设备的设计

2、和流场分析中，CFD数值模拟可真实地显示流体的流动状况。本文采用广泛应用于CFD行业的FLUENT软件模拟三叶转子气冷式罗茨真空泵的内部流动，分析内部流场的流动情况，为气冷式罗茨真空泵及同类产品的优化设计提供。1计算模型1.1基本方程连续性方程鄆鄆t运动方程鄆t鄆A鄆Xi广式⑴（5,为密度，为时间从为速度矢量，v、w是速度矢量ui在X、、、、方向的分量）是流体微单元体上的压力，是动力粘度，u、Sv、Sw是动量守恒方程的广义源项，p是比热容，T为温度,为流体的传热系数，T为粘性耗散项。1.2湍流模型湍流模型采用RNGk-e模型，该模型考虑了平均流动中的旋转及旋流流动情况，能够更好地处理高应变率及

3、流线弯曲程度较大的流动。k方程和e方程分别为：（鹤）+・今式（6）、（7）中Gk是由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项。1•由于泵运转时转子在一个周期内各个时刻的位置在发生变化，其流道形状也在不断变化。通过定义型函数采用动网格技术实现转子的转动。1.4模型建立及网格划分建立三叶圆弧摆线转子气冷式罗茨真空泵的模型其主要参数有：抽气速率为300L/S,中心距180mm,电机转速为由于计算模型为非定常，计算区域划分网格的尺寸小，划分的总体网格数大，计算时间较长，三维模型径向截面流动同二维的流动情况基本相同，二维计算模型能够满足流场分析的需求，因此计算中釆用了二维模型。为三叶圆弧摆线转子气冷式罗茨真

4、空泵二维流道模型。为便于计算以及尽量减少网格数，进气、排气非旋转区域因为在计算过程中网格没有变化，釆用四边形结构化网格；旋转流场区域网格随时间变化，为减小不同时刻网格的扭曲率以及计算的收敛性深用三角形网格。整个流场的初始网格数为115340,网格最大扭曲率为0505867.1.5边界条件及初始条件设置边界条件设置如下进气压强为5000Pa,进气温度为20C；排气压强为20000Pa,排气温度为140C；左石两返冷气压强为20000Pa,温度为30C•上述所采用的压强均为绝对压强值。流动介质采用空气，按理想气体设置属性，初始化整个流场。2数值模拟结果及分析2.1确定流场分析的位置由于泵开始旋转阶

5、段内部流场的流动不稳定，为保证分析的流场内部流动处于稳定状态，取转子旋转一定角度，分析其典型位置的流场状况。以石转子顺时针旋转如下角度进行分析。125.13•位置为进气腔与石转子工作腔间的流道开始变小；左转子工作腔芫全与返冷气口相通并与排气腔隔离。143.01.位置为石转子工作腔封闭，左转子工作腔继续与返冷气口相通并与排气腔隔离。89。位置为石转子工作腔开始与返冷气口、排气腔相通，左转了工作腔即将与排气腔相通。169.82位置为石转子工作腔芫全与返冷气口相通并与排气腔隔离；左转子工作腔与排气腔相通。39位置为石转子工作腔与排气腔相通，左转子工作腔与返冷气口相通并开始与排气腔隔离。2.2压强分布

6、至为上述位置的泵内部流场压强等值线分布图。从图中可以看出，各个位置的进气腔压强分布较均匀，大部分区域的压强为设定的进气压强，在转子的齿根附近，形成低于进气压强的区域，低压区域随着转子的转动被转子带入工作腔。各图中的最小压强均出现在转子与转子及转子与泵内壁的间隙处。由于存在间隙，高压区域气体通过间隙向低压气体区域高速返流，导致压力能转化为动能，压强降低。各个位置的工作腔压强随着位置的不同，压强发生较大变化。进气腔与工作腔相通及工作腔封闭两个状态，工作腔内的压强基本不变，如、中的石工作腔。当工作腔与返冷气口、排气腔同时相通时，腔内压强上升至6000Pa左石，如中的石工作腔。当转子继续转动至169.

7、82.位置，也就是工作腔开始与返冷气口相通但与排气腔隔离的位置，工作腔压强增大至16000Pa左石，而不是所预测的20000Pa,如的石工作腔。工作腔与返冷气口相通但与排气腔隔离的整个过程中，见、、和的左工作腔，腔内压强从16000Pa逐渐升到20000Pa.各个位置的排气腔压强为边界条件设定的排气压强2.3进气腔速度分布从至0各位置的进气腔速度矢量图可看出，进气腔的气体受转子转动挤压及转子与转子