為了提高軸向葉片旋渦結(jié)構(gòu)的真空抽氣性能，用計(jì)算流體力學(xué)( CFD) 方法對軸向葉片旋渦結(jié)構(gòu)在連續(xù)流態(tài)下的真空抽氣特性進(jìn)行模擬，研究了轉(zhuǎn)速、溫度、入口質(zhì)量流量、出口壓強(qiáng)、葉片與定子間隙等參數(shù)對軸向葉片旋渦結(jié)構(gòu)抽氣性能的影響。研究結(jié)果表明： 壓縮比隨轉(zhuǎn)速增大而增大，隨溫度、入口質(zhì)量流量、間隙增大而減小，受出口壓強(qiáng)影響較小；多級(jí)軸向葉片旋渦結(jié)構(gòu)與高真空抽氣結(jié)構(gòu)串聯(lián)，可以獲得高真空。

　　近年來，隨著真空獲得設(shè)備的不斷發(fā)展，人們研制了各種類型的能夠代替高真空機(jī)組工作的高真空直排大氣干泵。軸向葉片旋渦結(jié)構(gòu)主要工作在連續(xù)流狀態(tài)，由于其體積小、結(jié)構(gòu)簡單，便于優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且能夠直排大氣，因此被應(yīng)用于高真空直排大氣干泵低真空側(cè)的排氣。

　　目前，國外內(nèi)學(xué)者對旋渦結(jié)構(gòu)抽氣特性的研究主要集中在徑向葉片旋渦結(jié)構(gòu)，而對軸向葉片旋渦結(jié)構(gòu)的研究則較少。美國密歇根州立大學(xué)渦輪機(jī)械實(shí)驗(yàn)室的Abraham Engeda，Mukarrum Raheel 等用數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)測試等方法對單級(jí)和多級(jí)的旋渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并給出了一些設(shè)計(jì)參考；韓國學(xué)者J. W. Song 等在壓縮流動(dòng)理論的推導(dǎo)及修正方面做了大量研究。在軸向葉片旋渦結(jié)構(gòu)研究方面，英國學(xué)者A. D. Chew 等對EPX 干泵旋渦結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬進(jìn)行了簡述，但沒有對單級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究；國內(nèi)東北大學(xué)的陳瑤等針對徑向葉片旋渦結(jié)構(gòu)，用FLUENT 對高真空干泵中旋渦級(jí)的內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，探討了葉片數(shù)目、葉片傾角、流道截面形狀對旋渦結(jié)構(gòu)抽氣性能的影響。

　　由于理論推導(dǎo)過程復(fù)雜、限制較多，實(shí)驗(yàn)研究成本高、效率低，因此本文采用數(shù)值計(jì)算的方法研究分析軸向葉片旋渦結(jié)構(gòu)的真空抽氣特性。在不同流態(tài)數(shù)值計(jì)算中，真空技術(shù)網(wǎng)(http://smsksx.com/)發(fā)現(xiàn)一般做法是稀薄流用Monte Carlo 方法分析，連續(xù)流用數(shù)值求解Navier-Stokes 方程分析。

　　考慮到本文研究對象主要工作在連續(xù)流狀態(tài)，因此采用數(shù)值方法求解Navier-Stokes 方程對軸向葉片旋渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，獲得其流動(dòng)、傳熱等過程的細(xì)節(jié)和數(shù)據(jù)。綜合考慮計(jì)算機(jī)硬件、計(jì)算精度、收斂速度等因素，本文采用ANSYS CFX 13. 0 軟件實(shí)現(xiàn)上述分析。

1、軸向葉片旋渦結(jié)構(gòu)的計(jì)算流體力學(xué)模擬

　　1.1、模型創(chuàng)建

　　軸向葉片旋渦結(jié)構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用在商業(yè)產(chǎn)品中，如英國BOC Edwards 公司的EPX 干泵，采用軸向葉片旋渦結(jié)構(gòu)多級(jí)串聯(lián)進(jìn)行抽氣，如圖1 所示。

圖1 EPX 干泵定子和轉(zhuǎn)子

　　本文以葉片對流道內(nèi)氣體的攪動(dòng)為研究對象，只考慮葉片與定子的間隙，忽略轉(zhuǎn)子盤與定子的間隙，對單級(jí)的軸向葉片旋渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，其模型示意圖如圖2 所示，其基本尺寸如圖3 所示。葉片數(shù)目60 片，隔舌角度30°，如圖4 所示。

圖2 模型示意圖

圖3 模型尺寸

圖4 流體域模型

　　由于同時(shí)存在旋轉(zhuǎn)部件和靜止部件，建模時(shí)將流體域分為運(yùn)動(dòng)域( rotating) 和靜止域( stationary) ，并用交界面將兩個(gè)域連接。交界面取在隔舌處葉片與泵體間隙的中間位置，如圖3 虛線處。

2、結(jié)論

　　本文對軸向葉片旋渦結(jié)構(gòu)在連續(xù)流態(tài)下的真空抽氣特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過對模擬計(jì)算結(jié)果的分析得出以下結(jié)論：

　　(1) 計(jì)算流體力學(xué)方法可以有效模擬連續(xù)流態(tài)下軸向葉片旋渦結(jié)構(gòu)的真空抽氣特性。

　　(2) 壓縮比隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，隨溫度、入口質(zhì)量流量、間隙的增大而減小。

　　(3) 入口處在很寬的壓強(qiáng)范圍內(nèi)，都有較大抽速。

　　(4) 隨著出口壓強(qiáng)降低，壓縮比有一定升高，但不明顯。

　　(5) 多級(jí)串聯(lián)的軸向葉片旋渦結(jié)構(gòu)可以獲得很高的壓縮比，將氣體抽到過渡流狀態(tài)，與其他高真空抽氣結(jié)構(gòu)串聯(lián)，可以獲得高真空。