微型化和一體化是干式真空泵發(fā)展的重要趨勢(shì)，高真空干泵是具有代表性的一種新型干泵。本文對(duì)高真空干泵的重要部件之一的單螺旋轉(zhuǎn)子進(jìn)行了數(shù)值研究，通過對(duì)幾何模型重要參數(shù)的分析，結(jié)合了直接模擬蒙特卡羅的程序思想，對(duì)單螺旋轉(zhuǎn)子工作過程進(jìn)行仿真。模擬得到了單螺旋轉(zhuǎn)子幾何參數(shù)對(duì)抽氣效率的影響機(jī)制，得到影響高真空干泵性能的參數(shù)調(diào)節(jié)機(jī)制，為高真空干泵的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)。

　　近年來，螺桿式真空泵(簡(jiǎn)稱螺桿泵) 備受關(guān)注，其轉(zhuǎn)子采用螺旋式空間曲線，具有許多顯著的優(yōu)點(diǎn)，如傳送介質(zhì)平穩(wěn)、噪聲低、允許較高的轉(zhuǎn)速、結(jié)構(gòu)緊湊、使用壽命長(zhǎng)等。螺桿泵在工業(yè)和國(guó)防等領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用，如化工制藥、航空航天、石油化工、半導(dǎo)體裝備、特氣回收、通用工業(yè)等。單螺桿泵是螺桿泵的一種，采用高速轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子表面攜帶氣體分子，使氣體連續(xù)地被抽出泵體，具有擾動(dòng)極小、平穩(wěn)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。

　　清潔化、微型化和簡(jiǎn)單化是真空獲得設(shè)備及系統(tǒng)發(fā)展的重要趨勢(shì)，其中最具代表性的是高真空范圍內(nèi)直排大氣的干式真空獲得技術(shù)。高真空干泵采用多種高速旋轉(zhuǎn)的單軸泵復(fù)合而成，靠近吸氣側(cè)采用單螺旋轉(zhuǎn)子來完成大排量的吸氣傳輸過程。在氣體傳輸過程中，螺旋級(jí)轉(zhuǎn)子的葉片形狀、數(shù)量、尺寸、傾角等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的選取，將對(duì)其抽氣性能存在較大的影響。

　　直接模擬蒙特卡洛(DSMC)方法的基礎(chǔ)是追蹤模擬分子的運(yùn)動(dòng)軌跡，這個(gè)過程要從給定的初始狀態(tài)出發(fā)，初始狀態(tài)在宏觀流動(dòng)為定常流動(dòng)條件下的選取是任意的，在追蹤過程中，模擬分子在不同狀態(tài)下的參數(shù)得以記錄，再通過進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)平均，就可以獲得氣體宏觀狀態(tài)的參數(shù)。螺旋級(jí)在工作過程中主要處于分子流區(qū)域，基于Bird 等改進(jìn)的DSMC方法，可以建立轉(zhuǎn)子模型中螺旋槽通道內(nèi)氣體流場(chǎng)的數(shù)值模擬方法。

　　本文根據(jù)單螺旋轉(zhuǎn)子的特點(diǎn)，建立了單螺旋轉(zhuǎn)子的幾何模型，并采用DSMC方法分析其抽氣過程，模擬分子流態(tài)下氣體分子在泵內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況，通過模擬結(jié)果，對(duì)氣體分子運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行再現(xiàn)，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，得到真空泵的性能參數(shù)的對(duì)比。通過以DSMC方法為基礎(chǔ)的三維模擬，獲得螺旋級(jí)轉(zhuǎn)子的各種結(jié)構(gòu)參數(shù)在抽氣過程中的影響效果，從而為高真空干泵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供支撐。

　　1、螺旋級(jí)轉(zhuǎn)子幾何模型

　　對(duì)于高真空干泵，獲得更大的抽速，并增加壓縮比是其最主要的任務(wù)，這要求在螺旋級(jí)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)過程中，既要使轉(zhuǎn)子在高真空范圍內(nèi)能順利的抽除大量氣體分子，又要使螺旋級(jí)轉(zhuǎn)子尾段的壓力最大化，以減小牽引分子級(jí)抽氣負(fù)載。為了滿足上述要求，螺旋級(jí)轉(zhuǎn)子外邊緣采用圓柱面螺旋線，而內(nèi)邊緣采用圓錐面螺旋線，使氣體在抽氣方向上得到逐漸壓縮。該模型的建立對(duì)后續(xù)結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化、螺旋級(jí)抽氣性能的提升都具有關(guān)鍵的作用。最外緣軌跡線如圖1所示。

圖1 外圓柱邊緣型線

　　在該模型中，以P作為型線的生成起點(diǎn)，PM為型線的生成路徑，構(gòu)建了單螺旋轉(zhuǎn)子的三維結(jié)構(gòu)，如圖2。為了使轉(zhuǎn)子模型有利于氣體的傳輸，模型設(shè)計(jì)成四個(gè)螺旋槽通道，以圓柱形作為通道最外緣形狀，內(nèi)圓母線與中軸線成一定的夾角，形成錐面如圖2(a) 。圖2(b) 展示螺旋槽流域。網(wǎng)格劃分依據(jù)開口角度、錐面傾角和轉(zhuǎn)子體高度等變量來進(jìn)行，可使在初始條件下每個(gè)單元能夠保留大約20個(gè)分子。

圖2 單螺旋轉(zhuǎn)子的3D模型

　　圖3(a)表示轉(zhuǎn)子的螺旋槽通道的示意圖，采用不同的內(nèi)圓半徑和螺旋升角，以獲得不同的轉(zhuǎn)子形式。圖3(b)表示一個(gè)劃分好網(wǎng)格的抽氣通道區(qū)域，劃分依據(jù)為自定義坐標(biāo)。

圖3 轉(zhuǎn)子計(jì)算域

　　2、結(jié)論

　　DSMC 方法在高真空干泵的應(yīng)用中，可以有效對(duì)螺旋級(jí)轉(zhuǎn)子的性能進(jìn)行模擬，能夠得到以下結(jié)論：

　　(1) 泵的抽氣系數(shù)在轉(zhuǎn)子厚度的不斷增加中呈現(xiàn)的總體趨勢(shì)為：一直上升，至一峰值后出現(xiàn)下降狀態(tài)。在開始的一段范圍內(nèi)，遞增的轉(zhuǎn)子厚度形成了遞增的通道長(zhǎng)度，有利于減弱反流作用，當(dāng)轉(zhuǎn)子厚度超過一定值繼續(xù)增加時(shí)，過長(zhǎng)的抽氣通道內(nèi)，分子形成更為頻繁的碰撞過程，氣體分子流通受到影響，抽氣系數(shù)降低。

　　(2) 在螺旋槽開口角逐漸增大時(shí)，泵抽氣系數(shù)的整體變化趨勢(shì)為：先增加至一個(gè)峰值后減小。氣體分子的流經(jīng)通道會(huì)隨著開口角的增加而增大，更大的通道會(huì)流通更多的氣體分子，進(jìn)而提高抽氣系數(shù)，然而當(dāng)分子數(shù)量過多時(shí)，在有限的通道體積內(nèi)會(huì)產(chǎn)生更多的碰撞，分子的流通受到影響，使抽氣系數(shù)降低。

　　(3) 在轉(zhuǎn)速不斷增加過程中，抽氣系數(shù)一直上升。氣體分子在通道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)依靠轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的攜帶作用，高轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子在工作過程中形成高速的運(yùn)動(dòng)分子，增強(qiáng)氣體分子的流通，提高了泵的抽氣系數(shù)。

　　(4) 在入口壓力為10^-4 ～10^-1Pa 的情況下，本文開發(fā)的螺旋級(jí)轉(zhuǎn)子數(shù)值計(jì)算模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，誤差小于6.75%，滿足工程設(shè)計(jì)要求。