油扩散泵结构对蒸汽射流场影响的数值研究

摘要

油扩散泵与其他种类真空泵相比，结构更为简单，无运动部件，没有振动与噪声，使用方便，寿命长，成本低，因此被广泛应用于各科学研究和工业生产领域中，如电子、冶金、化学、原子能等工业部门和空间技术等。扩散泵工作介质为扩散泵油，尽管在结构上采取了一些措施，但扩散泵油向高真空一侧返流造成的油污染问题一直是制约扩散泵应用的主要原因。
　　提高抽气性能、抽气稳定性、降低返油率是扩散泵需要解决的主要问题，其中，低返油率扩散泵是当前科研、生产单位研发的重点。扩散泵的返油与一级喷嘴形状、尺寸、多级串联喷嘴间距、挡油帽形状、尺寸、挡油环设置位置等因素有关，这些因素决定了扩散泵油蒸汽的射流状态和流场结构。通过流场结构分析可以更好地理解扩散泵的抽气和返油机理，通过射流场控制可以有效地减少返流。由于扩散泵经典理论难以准确描述和定量反映扩散泵油蒸汽射流流动特性，本文在分析扩散泵抽气机理的基础上，运用计算流体力学软件Ansys-workbench，以K800扩散泵为计算原型，对其内部蒸汽射流场进行了数值模拟，得到了第一级喷嘴结构、挡油环位置、挡油帽尺寸、串联喷嘴级间距对扩散泵射流场的影响结果，对理解扩散泵抽气机理、改进扩散泵抽气性能、减少返油率均具有一定的指导意义。
　　数值模拟结果表明，喷嘴出口速度受喉部尺寸的影响，喷嘴出口速度随喉部间隙减小而增大，随喷嘴张角增大而增大;挡油帽过长或者过短都不利于扩散泵抽气，存在与射流场匹配的最佳挡油帽结构尺寸，此时返油率较低;挡油环的位置影响蒸汽射流流场分布及涡旋的形成，决定扩散泵的返油率，挡油环位置的正确设置对减少返油率起到至关重要的作用;一二级喷嘴间距、二三级喷嘴间距存在的最佳值，且串联两级喷嘴距离越大，油蒸汽冷凝效果越好，但喷嘴间距离过大又影响扩散泵结构的紧凑性，而距离过小又会影响扩散泵的正常工作，合理的级间距设计要兼顾抽气稳定性和结构紧凑性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 油扩散泵的工作原理

1．2．1 油扩散泵的结构及工作过程

1．2．2 扩散泵的抽气机理

1．2．3 油扩散泵的特点及其应用

1．3 计算流体力学方法及其应用

1．4 油扩散泵的国内外发展与研究现状

1．5 本文的研究内容和意义

1．5．1 研究目的和意义

1．5．2 研究内容

第2章 扩散泵喷嘴结构对蒸汽射流流场影响的数值模拟

2．1 扩散泵的结构设计

2．1．1 K800油扩散泵的设计方案

2．1．2 扩散泵的结构设计

2．2 基于fluent的喷嘴射流流场数值模拟

2．2．1 计算流体力学软件

2．2．2 几何模型及网格划分

2．2．3 油蒸汽的冷凝模型

2．2．4 湍流模型

2．2．5 边界条件

2．2．6 定常流和非定常流模型的选择

2．2．7 计算结果与分析

第3章 挡油帽几何参数、挡油环位置对流场影响的数值模拟

3．1 挡油帽的作用

3．2 挡油帽和挡油环的设计

3．3 挡油帽几何尺寸对扩散泵流场影响的模拟

3．3．1 装配挡油帽的扩散泵三维建模

3．3．2 装配挡油帽的扩散泵模拟结果分析

3．4 挡油帽几何尺寸对扩散泵流场影响的模拟

3．4．1 装配挡油环的扩散泵三维建模

3．4．2 装配挡油环的流场模拟结果分析

第4章 多级喷嘴串联间距对流场影响的数值模拟

4．1 两级喷嘴串联的几何建模与网格划分

4．2 两级喷嘴串联模型的流场模拟

4．3 三级喷嘴串联模型的几何建模与网格划分

4．4 三级喷嘴串联模型的流场模拟

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢