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

　　近年來，螺桿式真空泵(簡稱螺桿泵) 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，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、使用壽命長等。螺桿泵在工業(yè)和國防等領(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，具有擾動極小、平穩(wěn)傳輸?shù)奶攸c。

　　清潔化、微型化和簡單化是真空獲得設(shè)備及系統(tǒng)發(fā)展的重要趨勢，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，螺旋級轉(zhuǎn)子的葉片形狀、數(shù)量、尺寸、傾角等結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的選取，將對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動軌跡，這個過程要從給定的初始狀態(tài)出發(fā)，初始狀態(tài)在宏觀流動為定常流動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，再通過進一步的統(tǒng)計平均，就可以獲得氣體宏觀狀態(tài)的參數(shù)。螺旋級在工作過程中主要處于分子流區(qū)域，基于Bird 等改進的DSMC方法，可以建立轉(zhuǎn)子模型中螺旋槽通道內(nèi)氣體流場的數(shù)值模擬方法。

　　本文根據(jù)單螺旋轉(zhuǎn)子的特點，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)的運動情況，通過模擬結(jié)果，對氣體分子運動過程進行再現(xiàn)，并對計算結(jié)果進行分析，得到真空泵的性能參數(shù)的對比。通過以DSMC方法為基礎(chǔ)的三維模擬，獲得螺旋級轉(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、螺旋級轉(zhuǎn)子幾何模型

　　對于高真空干泵，獲得更大的抽速，并增加壓縮比是其最主要的任務(wù)，這要求在螺旋級轉(zhuǎn)子的設(shè)計過程中，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，又要使螺旋級轉(zhuǎn)子尾段的壓力最大化，以減小牽引分子級抽氣負(fù)載。為了滿足上述要求，螺旋級轉(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。該模型的建立對后續(xù)結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化、螺旋級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，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)計成四個螺旋槽通道，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行，可使在初始條件下每個單元能夠保留大約20個分子。

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，可以有效對螺旋級轉(zhuǎn)子的性能進行模擬，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，過長的抽氣通道內(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，泵抽氣系數(shù)的整體變化趨勢為：先增加至一個峰值后減小。氣體分子的流經(jīng)通道會隨著開口角的增加而增大，更大的通道會流通更多的氣體分子，進而提高抽氣系數(shù)，然而當(dāng)分子數(shù)量過多時，在有限的通道體積內(nèi)會產(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)的運動依靠轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的攜帶作用，高轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子在工作過程中形成高速的運動分子，增強氣體分子的流通，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)的螺旋級轉(zhuǎn)子數(shù)值計算模型與實驗結(jié)果吻合較好，誤差小于6.75%，滿足工程設(shè)計要求。