三叶转子气冷式罗茨真空泵的流场数值分析

1、第47卷第6期2010年11月真空VACUUMVol.47,No.6Nov.2010三叶转子气冷式罗茨真空泵的流场数值分析戴映红1，钟云会2，黄智敏2，张宝夫（1.台州职业技术学院，浙江台州318000；2.浙江真空设备集团有限公司，浙江台州318000）摘要：本文利用数值模拟软件FLUENT建立三叶转子气冷式罗茨真空泵的二维计算模型，采用动网格内部流技术对气冷式罗茨真空泵内部流动进行动态模拟。分析了转子在转动情况下泵内部流场的变化、场的压强分布以及进排气腔的速度分布，得出泵内部流场的流动规律,为气冷式罗茨真空泵的设计和分析提供理论依据，同时可以用于气冷式罗茨真空泵的性能预测及优化设计。关键词

2、：气冷式罗茨真空泵;三叶转子;数值模拟TB752+.26中图分类号：文献标识码：A文章编号：1002-0322（2010）06-0037-04Simulativeanalysisofflowfieldofair-cooledRootsvacuumpumpwithtrifoliumrotorDAIYing-hong1,ZHONGYun-hui2,HUANGZhi-min2,ZHANGBao-fu1(1.TaizhouVocational&TechnicalCollege,Taizhou318000,China;2.ZhejiangVacuumEquipmentGroupCo.,Ltd.T

3、aizhou318000,China)Abstract:A2-Dcomputationalmodelwasdevelopedforanair-cooledRootsvacuumpumpwithtrifoliumrotorbythenumericalsimulationsoftwareFLUENT,wheretheairflowinsidethepumpwasdynamicallysimulatedbythemovablegriddingtechnique.Thechangeandpressuredistributionintheflowfieldinsidethepumpwhentheroto

4、risrotatingwereanalyzed,aswellasthepumpingspeeddistributionatairinletandoutlet.Asaresult,howtheairflowsintheflowfieldisfound,thusprovidingatheoreticalreferenceforthedesignandanalysisoftheair-cooledRootsvacuumpump,anditisavailabletothepredictionoftheperformanceofthepumpanditsdesignoptimization.Keywor

5、ds:air-cooledRootsvacuumpump;trifoliumrotor;numericalsimulation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。在文献1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，容积利用系数越大。目前国内的气冷式罗茨真空泵的转子基本上是两叶宽头圆弧摆线型线，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噪声。气冷式罗茨真空泵的结构及运转特点使

6、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参考。1计算模型1.1基本方程连续性方程鄣+div(u)=0i运动方程（1）收稿日期：2010-04-02作者简介：戴映红（1974-），女，浙江省台州市人，硕士，讲师。通讯作者：张宝夫，教授级高工。·38·真空鄣鄣(p)鄣t(u)+div(uui)=div(gradu)-鄣

7、x+Su（2）鄣(v鄣(p)鄣t)+div(vui)=div(gradv)-鄣y+Sv（3）鄣t(w)+div(wui)=div(gradw)-鄣z+Sw（4）能量守恒方程鄣t+div(uiT)=divkgradTp鄣+ST（5）式(1)(5)中，为密度，t为时间，ui为速度矢量，u、v、w是速度矢量ui在x、y、z方向的分量。p是流体微单元体上的压力，是动力粘度，Su、Sv、Sw是动量守恒方程的广义源项，cp是比热容，T为温度，k为流体的传热系数，ST为粘性耗散项24。1.2湍流模型湍流模型采用RNGk-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流线弯曲程度较

8、大的流动5,6。k方程和方程分别为：鄣(k)+鄣(kui)=鄣ij鄣akeff鄣k鄣xj鄣+Gk+(6)鄣()+鄣(u)=鄣鄣t鄣xeff鄣i鄣xj鄣aj鄣+C*kGk-C22k(7)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。eff=+i，i=C2C=0.0845，k=1.39C*1=C1-（1-/）3C1=1.42，C2=1.68=鄣2Eij·Eij鄣1/2kEij=1鄣ui2+鄣ujji鄣0=4.337,=0.0121.3数值解法采用有限体积法求解,压力速度耦合方程采用PISO算法求解，压力项采用PRESTO!格式离散，其余项采用二阶迎风格式。壁面附近采用壁

9、面函数法7。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8。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VACUUM第47卷距180mm,电机转速为1490rpm。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，因此计算中采用了二维模型9。图1为三叶圆弧摆线转子气冷式罗茨真空泵二维流道模型。图1三叶转子的气冷式罗茨真空泵二维流道模型Fig.

10、12-Dflowpassagemodelofair-cooledRootsvacuumpumpwithtrifoliumrotor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，采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，采用三角形网格。整个流场的初始网格数为115340，网格最大扭曲率为0.505867。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20；排气压强为20000Pa，排气温度为140；左右两返冷气压强为20000Pa，温度为30。上述所采用的压强均为绝对压强值。流

11、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。以右转子顺时针旋转如下角度进行分析。125.13°位置为进气腔与右转子工作腔间的流道开始变小，左转子工作腔完全与返冷气口相通并与排气腔隔离。143.01°位置为右转子工作腔封闭，左转子工作腔继续与返冷气口相通并与排气腔隔离。160.89°位置为右转子工作腔开始与返冷气口、排气腔相通，左转子工作腔即将与排气腔第6期戴映红，等：三叶转子气冷式罗茨真空泵

12、的流场数值分析·39·相通。169.82°位置为右转子工作腔完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。232.39°位置为右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压强分布图2至图6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

13、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，如图2、图3中的右工作腔。当工作腔与返冷气口、排气腔同时相通图2125.13°压强分布Fig.2Pressuredistributionpositionedat125.13°图3143.01°压强分布Fig.3Pressuredistributionpositionedat143.01°图4160.89°压强分布Fig.4Pressuredistributionpositionedat160.89&#

14、176;图5169.82°压强分布Fig.5Pressuredistributionpositionedat169.82°图6232.39°压强分布Fig.6Pressuredistributionpositionedat232.39°时，腔内压强上升至6000Pa左右，如图4中的右工作腔。当转子继续转动至169.82°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左右，而不是所预测的20000Pa，如图5的右工作腔。工作腔与返冷气口相通但与排气腔隔离的整个过程中，见图6、图2、图3和图4的左工作腔，腔

15、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20000Pa。2.3进气腔速度分布从图7至图10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间隙、转子与泵内壁间隙的气体返流的影响，出现大量涡旋。图2至图5进气腔中的低压区正是涡旋所在位置。涡旋的位置、形状和大小随着转子的转动而发生变化。随着转子的周期性运动，涡旋会周期性的产生、发展和消失，导致进气腔处产生进气涡旋噪声。进气口处均出现气体返流，返流位置随着转子的位置不同有所变化。图7125.13°速度矢量图Fig.7Velocitydistributionpositi

16、onedat125.13°图8143.01°速度矢量图Fig.8Velocitydistributionpositionedat143.01°图9160.89°速度矢量图Fig.9Velocitydistributionpositionedat160.89°图10232.39°速度矢量图Fig.10Velocitydistributionpositionedat232.39°2.4排气腔速度场由于工作腔与排气腔相通前工作腔内的压强已达到排气压强，排气腔处的流动状况较好，气体随着转子的转动正常排出。图11为右工作腔与排气腔相通

17、时的排气腔速度矢量图，排气有序，基本上没有涡旋，排气口右侧出现少量气体返流。·40·真空VACUUM第47卷声基本没有。参考文献1戴映红.气冷式罗茨真空泵的转子型线设计及流场分析D.杭州：浙江工业大学,2010.2王福军.计算流体动力学分析CFD软件原理与应用M.北京：清华大学出版社,2004.图11232.39°速度矢量图Fig.11Velocitydistributionpositionedat232.39°3FerzigerJH,PericM.ComputationalMethodsforFluidDynamicsM.Springer,2002.4

18、袁寿其,朱兴业,李红等.全射流喷头内部流场计算流体动力学数值模拟J.农业机械学报,2005,36(10):4649.5周光垌,严宗毅,许世雄,章克本.流体力学M.北京:高等教育出版社,1993.6JohnVandeVoorde,JanVierendeels,ErikDick.FlowsimulationsinrotaryvolumetricpumpsandcompressorswiththefactitiousdomainmethodJ.JournalofComputationalandAppliedMathematics,2004(168):491-499.7侯树强,王灿星,林建忠.叶轮机械

19、内部流场数值模拟研究综述J.流体机械，2005,33(5):30-34.8阎超.流体机械内部流动数值计算方法的新进展J.流体机械，1994,22(8):33-38.9江帆,黄鹏.Fluent高级应用与实例分析M.北京:清华大学出版社,2008.3结论(1)工作腔与返冷气口相通时，腔内存在压差，出现强度较大的涡旋，结果使腔内压强均匀，涡旋逐渐减小直至消失，在这过程中返冷气口处产生周期性的涡旋噪声。(2)进气腔处涡旋较多，由于转子的周期性运动，产生周期性的进气涡旋噪声。(3)由于转子与转子、转子与泵内壁间存在间隙，高压气体通过间隙向低压气体区域高速返流，影响泵的抽气速率、极限真空及噪声。(4)工作腔与排气腔相通前工作腔内的气体压强已经达到排气压强，排气腔处的气体流动状况较好，基本没有涡旋产生，排气腔处的涡旋噪!真空泵返油在此成为历史上海德英真空为您提供国家专利产品真空泵停机后永不返油本产品系旋片式有油真空泵，能在极短的时间内，获得极高的真空极限。在使用中，不用电磁阀，无论出现电路故障还是机械故障，即使是人为操作不当等引起的一切停机，真空泵油不会倒吸(即不返油)。值得一提的是，该产品为国内首创，关机，为您节省电独一无二，它可为您超断续工作，按需启动