螺旋槽式牽引分子泵(以下簡稱牽引泵,DMP)結構簡單,可以獲得很高的壓縮比,是國際上復合分子泵壓縮級以及高真空直排大氣干泵中采用的主要結構形式。牽引泵的抽氣性能與抽氣通道的幾何形狀密切相關,因此,其結構優化一直是其設計研究的重點之一。

　　在牽引泵的設計和性能計算中,人們提出了一些結構設計方法和理論分析方法,其中多是計算分子流態下泵的性能,對過渡流態,一般采用半經驗公式,對轉子和定子之間的間隙泄漏尚缺乏足夠精度的評估。隨著計算機技術的發展,近些年來,有人采用直接模擬蒙特卡洛(Direct Simulation Monte Carlo,DSMC)方法等數值模擬的方法,考慮定子與轉子的間隙返流,對牽引泵的抽氣性能進行了模擬計算,取得了一些成果。最近計算流體力學(CFD)方法也被引入到對螺旋槽式牽引分子泵的流動分析中。到目前為止,尚缺乏對過渡流態下抽氣通道幾何參數與抽氣性能的系統研究。

　　DSMC方法是基于概率理論,能模擬包括非平衡化學反應以及熱輻射等物理化學過程在內的稀薄氣體流動問題。該方法采用單元網格劃分、碰撞抽樣、運動與碰撞解耦等來統計和分析分子的運動、碰撞、反射、旋轉、化學反應等過程,記錄分子的位置、速度、溫度、分子數密度、自由度、動量、動能等微觀參數,并能得出氣體的宏觀流動參數、流動特性等流場信息,從而可以對分子進行運動學、動力學、熱力學分析。本文采用DSMC方法,對過渡流態下牽引泵抽氣通道進行三維建模,并系統分析幾何參數與抽氣性能的關系。

1、牽引泵的DSMC模擬方法

1.1、幾何模型

　　以轉子開有螺旋槽、定子為光滑筒的牽引泵為研究對象。轉子結構如圖1所示,其中,R₀為抽氣通道入口半徑、R₁為抽氣通道出口半徑、R_M為轉子外半徑、φ為螺旋通道與轉子夾角、Z為轉子高、α為螺旋升角、θ為螺旋槽開口圓心角。

圖1 　牽引轉子結構

1.2、DSMC模擬流程

　　DSMC模擬流程如圖2所示。對三維流動的模擬,需要調用多個子程序和子函數,具體參見真空技術網另文 。

圖2 　DSMC計算程序框圖

1.3、網格劃分

　　定義坐標系中的三個變量:螺旋錐角γ、螺旋開口角度β以及高度H,并依此劃分結構化網格。其中錐角γ的變化范圍:φ～π/2;開口角度β的變化范圍:0～θ;高度H 的變化范圍:0～Z。抽氣通道的網格劃分如圖3 所示。

圖3 　抽氣通道網格部分

1.4、氣體分子碰撞模型

　　在牽引泵抽氣通道內,對氣體分子運動和碰撞進行計算時,時間步長的設計要保證分子在一個運動步長中不會直接穿越單元網格進入相鄰單元網格中,同時要考慮氣體分子的最可幾速率以及分子受牽引攜帶后的速度。通過計算確定單元網格內部碰撞幾率,并根據碰撞模型進行運動模擬。本研究采用可變軟球(variable soft sphere ,VSS))碰撞模型。

1.5、邊界條件

　　邊界可分為出入口、真空和固體表面邊界。出入口邊界有分子飛出和進入,真空邊界分子有飛出無飛入,固體邊界則為反射表面。抽氣通道入口和出口均有氣體分子的進入和飛出。對于分子的入射,在每次位移后,均調用“ENTER子程序”,補充一定量的分子數,并對氣體分子在抽氣通道入口處的位置和速度進行設置。

1.6、初始條件

　　在DSMC程序的DATA子程序中設定初始數據,包括氣體性質、時間步長、邊界設置、幾何參數、網格劃分、表面特性、采樣周期等。本研究中采用氬氣為模擬氣體。因氬氣為單原子分子,沒有振動和旋轉,只有三個自由度,可以減少運算量。

2、模擬結果及分析

2.1、R₀對泵抽氣特性的影響

　　采用表1的計算參數。凈正向傳輸幾率隨抽氣通道入口半徑R₀變化規律如圖4所示。由圖中可見,凈正向傳輸幾率隨著R₀的增大而下降。較小的R₀取值(較大的入口截面積) 便于分子從入口流向出口,對提高泵的抽速有利。

表1 　計算參數

圖4 　R₀—凈正向傳輸幾率關系曲線