螺旋槽式牵引分子泵过渡流DSMC模拟研究

摘要

筒式牵引分子泵是牵引分子泵中的一种，气体流向为轴向。该泵结构紧凑，具有高的压缩比，在复合分子泵中，常常将其作为压缩级，以获得较高的出口压力，在国外的复合分子泵中应用的比盘型泵多。由于自身特点决定，分子泵的抽气性能主要由抽气通道的几何形状决定，因此，筒型牵引分子泵的结构优化一直是其设计研究的重点。 在筒型牵引分子泵的实际设计和性能计算中，人们提出过一些理论型线和一些理论计算方法，其中螺旋线型线因为其型线简单，加工容易，从而在牵引分子泵中最常用，而常规的理论模型多是计算分子流态下泵的性能，对过渡流态，一般采用半经验公式。本文选择螺旋线型线的抽气腔，针对过渡流态，使用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法对筒型牵引分子泵进行模拟研究。 DSMC方法是一种研究稀薄气体动力学问题的先进的方法，在研究分子运动中采用了划分单元格的方法、抽样碰撞方法、运动与碰撞解耦方法、随机数方法，来描述分子状态，统计和分析分子的运动、碰撞、反射、旋转、化学反应等过程，记录分子的位置、速度、温度、质量、分子数密度、自由度、动量、动能等微观参数，并能得出气体的宏观流动参数、流动特性和场信息，从而可以对分子进行运动学、动力学、热力学分析，分析得到稀薄气体的各种性质。本文利用直接模拟蒙特卡罗方法对螺旋槽式牵引分子泵的抽气过程进行研究，对螺旋槽式牵引分子泵的结构优化及其中分子温度、表面温度、气体种类、碰撞模型等方面进行研究。研究得出转子螺旋槽几何参数对泵抽气效率的影响，以及优化参数的选取；气体分子温度对泵抽气特性影响变化不大，出现了微小范围的波动；验证了气体分子质量越大，越容易被抽除，即泵对抽除大分子质量的气体效果好；可变硬球模型(VHS模型)和可变软球模型(VSS模型)在抽气性能模拟中得到的结果非常接近，两种方法均可应用于螺旋槽式牵引分子泵的性能计算中；利用随机数进行计算时，计算结果会有一定的波动，计算数据需要取统计平均值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究背景

1.2稀薄气体过渡流态的模拟方法介绍

1.2.1矩方程方法

1.2.2 CFD方法

1.2.3随机统计模拟法

1.2.4 Monte-Carlo方法

1.2.5直接模拟法

1.2.6其它方法

1.2.7方法总结

1.3本文工作

第2章牵引分子泵简介

2.1分子泵概述

2.2螺旋槽式牵引分子泵原理

2.3螺旋槽式牵引分子泵型线简介

第3章直接模拟蒙特卡罗方法(DSMC)

3.1概述

3.1.1 DSMC方法与Boltzmann方程关系

3.1.2 DSMC方法基本假设

3.1.3 DSMC方法特点与优点

3.1.4稀薄气体分子动力学最基本参量

3.2直接模拟蒙特卡罗方法模拟原理

3.2.1 DSMC方法中的分子运动问题

3.2.2 DSMC方法中的网格划分及时间步长

3.2.3 DSMC方法中的碰撞问题

3.2.4 DSMC方法中的边界问题

第4章螺旋槽式牵引分子泵抽气过程的DSMC模拟

4.1建立几何模型

4.2 DSMC方法模拟流程

4.3网格划分

4.4运动与碰撞设计

4.5入口边界设计与碰撞边界设计

4.6关键技术参数处理

4.6.1初始数据的设置

4.6.2最大压缩比的统计

4.6.3最大净正向传输几率的计算

4.6.4实验气体的选择

4.6.5达到平衡状态的循环情况

第5章模拟结果及分析

5.1几何参数对净正向传输几率的影响

5.1.1 R0的影响

5.1.2 R1的影响

5.1.3 RM的影响

5.1.4高度Z的影响

5.1.5螺旋槽升角α的影响

5.1.6 RPM的影响

5.1.7转子螺旋槽槽数的影响

5.2温度等因素对净正向传输几率的影响

5.2.1气体温度的影响

5.2.2气体种类的影响

5.2.3气体碰撞模型的影响

5.3抽速验证计算

5.4程序统计规律研究

5.4.1分子随着时间的变化趋势

5.4.2程序的振荡现象

5.5本章总结

第6章结束语及对未来工作展望

6.1研究总结

6.2未来工作展望与建议

参考文献

致谢