涡旋干式真空泵具有洁净无油、体积小、工作压力范围宽、振动小、噪声小等优点,被广泛应用于半导体制造、生物制药等需求清洁真空的行业。在实际工况下,干式涡旋真空泵可能会面临复杂苛刻的抽气环境,如腐蚀性气体、含粉尘颗粒气体以及吸入压力、温度的变化等,因此研究涡旋泵泵内流体的流动特性和泵内的热分布与热变形具有重要意义。本文主要研究针对干式涡旋真空泵的CFD与数值传热学模拟方法。根据泵体结构,建立其内部流动区域及结构部件的三维模型,借助ANSYS-ICEM软件对流体域和固体域分别进行网格划分,利用瞬态模拟方法模拟泵内流场、热场分布等参数,并将分析结果与实验数据进行对比,验证数值模拟分析方法的可靠性。本文首先基于CFD方法和动网格技术建立了双级涡旋干式真空泵内瞬态流动的仿真模型,并对入口压力为1kPa和10 kPa两种工况进行了数值计算。模拟结果与实验结果基本符合,预测的抽速与实验数据对比,最大误差约为-5.7%。在此基础上分析了真空泵内气体压缩过程中的压缩比、压力变化趋势及温度场分布等流动特性。其次,对壁面绝热和温度为293.15K及338.15K三种不同热力学边界条件下的数值模型进行了数值计算。分析了热力学边界条件对于抽速、转矩和功率的影响以及泵内压力分布、热场分布等流动特性在不同热力学边界下的变化。热边界条件对抽速影响显著,对压缩功率的影响不大,对泵腔内温度、压力分布趋势与流动趋势几乎没有影响,但整体压力、温度受热条件影响相应升高或降低。最后,建立了含涡旋盘的双向热流耦合仿真模型,实现了双向热流耦合数值计算。除流体流动特征外,分析了涡旋盘内部热分布以及受热变形情况,涡旋盘整体温度分布呈向心升高,涡旋齿温度沿涡旋展开角负方向逐渐升高。定涡盘热变形沿径向方向随半径增大而增大,最大变形的位置发生在定涡盘的四周,为进一步研究干式涡旋真空泵的理论和设计问题提供了途径。
