螺旋槽式牽引分子泵(以下簡(jiǎn)稱牽引泵,DMP)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可以獲得很高的壓縮比,是國(guó)際上復(fù)合分子泵壓縮級(jí)以及高真空直排大氣干泵中采用的主要結(jié)構(gòu)形式。牽引泵的抽氣性能與抽氣通道的幾何形狀密切相關(guān),因此,其結(jié)構(gòu)優(yōu)化一直是其設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)之一。

　　在牽引泵的設(shè)計(jì)和性能計(jì)算中,人們提出了一些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和理論分析方法,其中多是計(jì)算分子流態(tài)下泵的性能,對(duì)過(guò)渡流態(tài),一般采用半經(jīng)驗(yàn)公式,對(duì)轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙泄漏尚缺乏足夠精度的評(píng)估。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,近些年來(lái),有人采用直接模擬蒙特卡洛(Direct Simulation Monte Carlo,DSMC)方法等數(shù)值模擬的方法,考慮定子與轉(zhuǎn)子的間隙返流,對(duì)牽引泵的抽氣性能進(jìn)行了模擬計(jì)算,取得了一些成果。最近計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法也被引入到對(duì)螺旋槽式牽引分子泵的流動(dòng)分析中。到目前為止,尚缺乏對(duì)過(guò)渡流態(tài)下抽氣通道幾何參數(shù)與抽氣性能的系統(tǒng)研究。

　　DSMC方法是基于概率理論,能模擬包括非平衡化學(xué)反應(yīng)以及熱輻射等物理化學(xué)過(guò)程在內(nèi)的稀薄氣體流動(dòng)問(wèn)題。該方法采用單元網(wǎng)格劃分、碰撞抽樣、運(yùn)動(dòng)與碰撞解耦等來(lái)統(tǒng)計(jì)和分析分子的運(yùn)動(dòng)、碰撞、反射、旋轉(zhuǎn)、化學(xué)反應(yīng)等過(guò)程,記錄分子的位置、速度、溫度、分子數(shù)密度、自由度、動(dòng)量、動(dòng)能等微觀參數(shù),并能得出氣體的宏觀流動(dòng)參數(shù)、流動(dòng)特性等流場(chǎng)信息,從而可以對(duì)分子進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)分析。本文采用DSMC方法,對(duì)過(guò)渡流態(tài)下?tīng)恳�泵抽氣通道進(jìn)行三維建模,并系統(tǒng)分析幾何參數(shù)與抽氣性能的關(guān)系。

1、牽引泵的DSMC模擬方法

1.1、幾何模型

　　以轉(zhuǎn)子開(kāi)有螺旋槽、定子為光滑筒的牽引泵為研究對(duì)象。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子外半徑、φ為螺旋通道與轉(zhuǎn)子夾角、Z為轉(zhuǎn)子高、α為螺旋升角、θ為螺旋槽開(kāi)口圓心角。

圖1 　牽引轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

1.2、DSMC模擬流程

　　DSMC模擬流程如圖2所示。對(duì)三維流動(dòng)的模擬,需要調(diào)用多個(gè)子程序和子函數(shù),具體參見(jiàn)真空技術(shù)網(wǎng)另文 。

圖2 　DSMC計(jì)算程序框圖

1.3、網(wǎng)格劃分

　　定義坐標(biāo)系中的三個(gè)變量:螺旋錐角γ、螺旋開(kāi)口角度β以及高度H,并依此劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。其中錐角γ的變化范圍:φ～π/2;開(kāi)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(wǎng)格劃分如圖3 所示。

圖3 　抽氣通道網(wǎng)格部分

1.4、氣體分子碰撞模型

　　在牽引泵抽氣通道內(nèi),對(duì)氣體分子運(yùn)動(dòng)和碰撞進(jìn)行計(jì)算時(shí),時(shí)間步長(zhǎng)的設(shè)計(jì)要保證分子在一個(gè)運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)中不會(huì)直接穿越單元網(wǎng)格進(jìn)入相鄰單元網(wǎng)格中,同時(shí)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(guò)計(jì)算確定單元網(wǎng)格內(nèi)部碰撞幾率,并根據(jù)碰撞模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(jìn)入,真空邊界分子有飛出無(wú)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(jìn)入和飛出。對(duì)于分子的入射,在每次位移后,均調(diào)用“ENTER子程序”,補(bǔ)充一定量的分子數(shù),并對(duì)氣體分子在抽氣通道入口處的位置和速度進(jìn)行設(shè)置。

1.6、初始條件

　　在DSMC程序的DATA子程序中設(shè)定初始數(shù)據(jù),包括氣體性質(zhì)、時(shí)間步長(zhǎng)、邊界設(shè)置、幾何參數(shù)、網(wǎng)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(méi)有振動(dòng)和旋轉(zhuǎn),只有三個(gè)自由度,可以減少運(yùn)算量。

2、模擬結(jié)果及分析

2.1、R₀對(duì)泵抽氣特性的影響

　　采用表1的計(jì)算參數(shù)。凈正向傳輸幾率隨抽氣通道入口半徑R₀變化規(guī)律如圖4所示。由圖中可見(jiàn),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(duì)提高泵的抽速有利。

表1 　計(jì)算參數(shù)

圖4 　R₀—凈正向傳輸幾率關(guān)系曲線