过渡流态下涡轮分子泵抽气性能的算法研究

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近年来半导体、医药化工、航天航空等行业的迅猛发展,对涡轮分子泵这种高真空获得设备的需求日益增加。涡轮分子泵具有抽速大,启闭快等优点,能够持续获得清洁的高真空环境。考虑到优越的性能,对分子泵的研发逐渐进入精密化、微型化的发展趋势,涡轮分子泵的应用范围越来越广,特别在分析仪器中,分子泵的工作范围已经进入到过渡流,在研发分子泵的过程中,需要准确计算过渡流域内涡轮分子泵的抽气性能。
  为了推动涡轮分子泵在过渡流域的发展,本文主要围绕涡轮分子泵在过渡流下工作性能的计算展开研究,建立了过渡流下涡轮分子泵抽气性能的计算方法,用于分析过渡流下涡轮分子泵的抽气性能。基于连续流态方程法和特征系数法,分别计算过渡流下涡轮叶列的抽气性能随涡轮叶列速度比、节弦比和倾角的变化规律,并且结合两种计算方法的特点,建立了混合分段算法,提高了过渡流态下涡轮分子泵抽气性能的计算精度。此外,通过直接模拟蒙特卡洛法,以粒子统计的方式,建立分析过渡流下涡轮叶列内流场计算模型,进一步分析叶列结构、气体温度和气体流态的变化时,涡轮分子泵的压缩比和抽气效率的变化。
  计算结果表明,在过渡流下,涡轮分子泵的抽气性能随着克努森数Kn的下降而降低。在过渡流下涡轮叶列转速、节弦比、倾角对分子泵抽气性能的影响与分子泵工作在分子流下具有相似规律,不过其影响程度较小。随着Kn下降,分子之间的相互碰撞更加剧烈,分子与壁面发生碰撞的几率相对减小,导致分子泵抽气性能下降。气体温度升高会影响涡轮分子泵的抽气性能,气体温度越高时,分子的热运动越剧烈,分子在叶列作用下通过通道的速度较大,分子泵的抽速较高,但是由于叶列出口分子较多而且速度较大,分子更容易从叶列出口返回叶列入口,因此,分子泵的压缩比较小。经过研究发现当叶列通道为变截面通道时,相对缩小入口截面能够增大压缩比。
  本文根据建立的涡轮分子泵过渡流态抽气理论,计算获得涡轮叶列压缩比与实验数据进行了对比,表明理论计算曲线与实验曲线有很好的一致性,验证了过渡流下涡轮分子泵抽气性能计算方法的有效性,为涡轮分子泵设计研发提供重要的理论依据和计算手段。
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