油扩散泵内部油蒸汽射流场的数值模拟研究

摘要

油扩散泵是一种广泛应用于电子、冶金、化学、原子能等工业部门和空间技术等科学研究领域中的高真空获得设备，因其结构简单，没有机械转动，无振动，无噪音，操作方便，便于维护，使用寿命长等优点，很受使用者的认可。但扩散泵工作介质为扩散泵油，提高扩散泵的工作稳定性、减少扩散泵的返油一直是扩散泵研究者和使用者致力解决的重要问题。
　　扩散泵的抽气特性、返油率等与油蒸汽射流形态密切相关，受到泵入口压力、泵的几何尺寸以及泵油的种类等因素影响。本文在分析扩散泵内部蒸汽射流流动特性的基础上，运用Fluent软件对扩散泵射流场进行了数值模拟分析，得到了泵入口与压力、喷嘴几何参数、泵油物性参数对扩散泵射流场及抽气特性的影响结果，对理解扩散泵抽气机理、改进抽气性能、减少返油率具有重要参考价值。
　　研究发现蒸汽射流的膨胀主要受泵入口压力和泵油粘度的影响。膨胀随着入口压力的减小而增大。当入口压力降低到一定数值时，膨胀区域不再变化。膨胀随着泵油粘度的减小而增大。在不改变入口压力的情况下，可以通过选择低粘度的泵油来提高膨胀度。
　　研究发现蒸汽射流最大速度主要受泵油粘度和分子量的影响，速度随粘度和分子量的减少而增大，受喉部结构尺寸的影响不大。要提高油蒸汽的射流速度，可以选择分子量和粘度较小的泵油。
　　研究发现喷嘴出口速度受泵油参数和喉部尺寸的影响。速度随粘度和分子量的减少而增大，并且速度随喉部间隙减小而增大，随喷嘴角度和喷嘴长度的增大而增大。增大喷嘴角度，减小喉部间隙和加大泵嘴长度，都能提高扩张率，有利于减少扩散泵的返油。
　　本文对K200扩散泵内部蒸汽射流场进行了数值模拟，得到了多级扩散泵各级泵最大入口压力值和最优级间距离。在对两种加有挡油帽的扩散泵油蒸汽射流结构进行的模拟及对防返油效果对比的基础上，提出了新的挡油帽结构。模拟结果表明，新结构能有效防止喷嘴出口处的油蒸汽返油，对改进扩散泵结构具有参考价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 油扩散泵的发展历程

1．2．1 油扩散泵的起源及发展

1．3 本文的主要工作和研究内容

1．3．1 主要工作和研究内容

1．3．2 课题研究目的和意义

第2章 油扩散泵的工作过程

2．1 油扩散泵的优点及其应用

2．2 油扩散泵的结构及工作过程

2．2．1 油扩散泵的结构

2．2．2 油扩散泵的工作过程简介

2．2．3 扩散泵的抽气过程的数学模型

2．3 抽气速率与泵入口压力的关系

2．4 油扩散泵工作蒸汽的工作原理

第3章 油扩散泵射流场的模拟和分析

3．1 油蒸汽流态判断

3．1．1 连续流、过渡流、分子流的判别

3．1．2 油蒸汽层流和湍流状态判断

3．1．3 湍流强度计算

3．2 基于FLUENT软件的扩散泵的数值模拟

3．2．1 CFD及CFD常用软件包FLUENT简介

3．2．2 前处理器

3．2．3 计算结果

3．4 入口压力的影响

3．5 泵油流体属性的影响

3．5．1 粘度的影响

3．5．2 分子量的影响

3．6 喉部尺寸的影响

3．6．1 喷嘴角度的影响

3．6．2 喷嘴长度的影响

3．6．3 喉部间隙的影响

3．7 本章总结

第4章 K-200射流场的数值模拟

4．1 计算公式

4．1．1 最大排气量Q

4．1．2 总压缩比

4．1．3 第n级喷嘴直径计算

4．1．4 第n级喷嘴喉部面积的计算

4．1．5 喷嘴出口面积的计算

4．1．6 嘴导流管直径计算

4．1．7 喷嘴喉部问隙计算

4．1．8 计算结果

4．2 几何模型及网格划分

4．3 参数设置

4．3．1 湍流模型

4．3．2 流体参数

4．3．3 边界条件

4．3．4 算法及收敛条件

4．4 计算结果

4．5 各级最大入口压力

4．5．1 K200扩散泵第一级喷嘴最大入口压力

4．5．2 K200扩散泵第二级喷嘴最大入口压力

4．5．3 K200扩散泵第三级喷嘴最大入口压力

4．6 各级导流管长度

4．6．1 K200扩散泵第二级喷嘴和第三级喷嘴的级间距离

4．6．2 K200扩散泵第三级喷嘴和第四级喷嘴的级间距离

4．6 本章小结

第5章 挡油帽对流场影响的数值模拟

5．1 挡油帽的作用

5．2 挡油帽的尺寸计算

5．3 挡油帽的几何结构及网格划分

5．4 计算结果分析

5．4．1 类型一挡油帽的模拟和分析

5．4．2 类型二挡油帽的模拟和分析

5．4．3 设计挡油帽的模拟和分析

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢