气冷式罗茨真空泵的转子型线设计及流场分析

摘要

气冷式罗茨真空泵结构简单、工作可靠，应用广泛。目前国内的气冷式罗茨真空泵的转子型线基本上都是两叶圆弧摆线型线，其效率和噪声有着明显的不足。因此，有必要对我国现有的气冷式罗茨真空泵进行改进设计，达到提高效率和降低噪声的效果。同时气冷式罗茨真空泵的结构特点难以通过实验工具对其内部实际流动进行测量，采用CFD对真空泵内部实际流动进行数值模拟并分析其流动信息是一种有效的研究手段。
　　 本文从转子啮合理论出发，对气冷式罗茨真空泵的转子型线进行研究；应用FLUENT对转子三叶圆弧摆线型线的气冷式罗茨真空泵进行内部流动的数值模拟，得到不同工况下气冷式罗茨真空泵内部的速度分布和压力分布，探索气冷式罗茨真空泵的内部流动规律。
　　 本论文完成的主要工作有：
　　 1、根据现有的转子型线设计理论、气冷式罗茨真空泵的工作原理和工作过程，确立共轭理论为型线设计的原则，推导了适合于气冷式罗茨真空泵的两叶、三叶、四叶圆弧摆线的端面理论型线参数方程和实际型线参数方程。
　　 2、推导并计算出两叶宽头圆弧摆线、三叶圆弧摆线、四叶圆弧摆线转子端面面积和容积利用系数λ的计算公式，确定C（Rm/R）与容积利用系数λ的关系，绘制出上述型线的C（Rm/R）与容积利用系数λ的曲线图。
　　 3、用企业提供的产品，应用Unigraphics NX、Autocad软件对气冷式罗茨真空泵进行建模；应用Gambit建立气冷式罗茨真空泵的流场模型并生成计算网格，设定边界条件和区域特征条件。
　　 4、应用FLUENT软件模拟转子为三叶圆弧摆线型线的气冷式罗茨真空泵内部流场的动态流动。对计算结果进行了详细分析，为气冷式罗茨真空泵的优化设计提供参考。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 真空基础知识

1.2 气冷式罗茨真空泵的国内外发展状况

1.3 气冷式罗茨真空泵的工作原理

1.3.1 工作原理及应用

1.3.2 抽气速率

1.3.3 容积利用系数

1.3.4 气冷式罗茨真空泵的噪声产生机理及降噪措施

1.4 气冷式罗茨真空泵的结构

1.5 气冷式罗茨真空泵的研究现状

1.6 课题研究内容

1.7 本章小结

第2章 各种型线的参数方程及容积利用系数

2.1 转子型线的要求

2.2 摆线参数方程的建立

2.3 两叶宽头圆弧摆线理论型线和实际型线的参数方程

2.3.1 两叶宽头圆弧摆线理论型线的参数方程

2.3.2 两叶宽头圆弧摆线实际型线的参数方程

2.4 三叶、四叶圆弧摆线型线理论型线和实际型线的参数方程

2.4.1 三叶、四叶圆弧摆线型线理论型线的参数方程

2.4.2 三叶、四叶圆弧摆线型线实际型线的参数方程

2.5 两叶宽头圆弧摆线转子的容积利用系数计算

2.6 三叶、四叶圆弧摆线转子的容积利用系数计算

2.7 两叶、三叶、四叶圆弧摆线转子的容积利用系数分析

2.8 本章小结

第3章 气冷式罗茨真空泵流场数值模拟的理论基础

3.1 引言

3.2 基本方程

3.3 湍流数学模型

3.4 壁面函数法

3.5 瞬态问题的数值计算

3.6 控制方程的离散

3.7 PISO算法

3.8 非稳态问题的求解

3.9 动网格技术的实现

3.10 本章小结

第4章 数值模拟及结果分析

4.1 引言

4.2 数值模拟

4.2.1 计算区域建模及网格划分

4.2.2 初始条件与边界条件

4.2.3 型函数的应用

4.2.4 数值模拟的周期性分析

4.3 进气速率与排气速率的脉动分析

4.4 三叶圆弧摆线转子内部流场数值分析

4.4.1 确定流场分析的各个位置。

4.4.2 各个位置的压强等值线分布。

4.4.3 各个位置的速度等值线分布

4.4.4 各个位置的进气腔速度矢量图

4.4.5 工作腔速度矢量图

4.5 三叶圆弧摆线转子工况-与工况二内部流场分析比较

4.5.1 两个工况的进气腔内部流场分析比较

4.5.2 两个工况的工作腔内部流场分析比较

4.6 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致 谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果