CN111008491A - 一种真空系统在真空泵作用下压力性能的优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种真空系统在真空泵作用下压力性能的优化方法，包括以下步骤：S1、构造流动计算域模型；S2、对流体计算域进行网格划分；S3、读取真空泵生产厂商提供的泵的性能曲线，拟合泵的压力‑吸气量特性曲线，得到吸气量Q和压力P的数学关系式Q=f(P)；S4、使用流动模拟软件读取网格文件，按实际生产工况设置真空系统的流场计算域介质的物质特性和边界条件，获取真空系统的压力变化特性，直至数值收敛为止；S5、根据步骤S4获取的压力变化特性，调节实际生产工况的真空系统。本发明紧密贴合工业生产实际，计算精度和计算效率较高，为真空系统的压力特性的模拟计算提供坚实的技术支持，并为实际工业生产提供良好的指导。
Description
技术领域
本发明涉及化工、环保、医疗和航天领域等技术领域，特别涉及一种真空系统在真空泵作用下压力性能的优化方法。
背景技术
真空系统主要由真空泵、储气罐、真空管道、PLC程序控制系统、真空阀门、境外过滤总成等部件组成。在众多组成部分中，真空泵起重要作用。真空泵是运用机械、物理、化学等方法对密闭容器进行抽出气体的基本设备之一，真空泵的压力-吸气性能也是决定真空系统能否维持一定压力的重要指标。在实际工艺操作过程中，用真空泵来维持真空系统的低压工作环境，其压力的稳定与否，对工作环境的稳定性和可靠性产生很大影响。
随着真空系统技术领域的拓展，如何优化提升真空系统的工作效率和运行可靠性已成为国内外研究的热点和前沿课题之一，目前国内外大多数研究者们研究的内容主要集中在对真空系统管道内以及真空腔室的流体流动状态[2]的理论和实验，比如在文献刘金策.基于FLUNET的真空系统元件气体流动模拟计算方法的研究[D].东北大学,2010.和吴宗跃,杨铁牛,黄尊地,赵蕾蕾,杜华娜.低压腔室内流速分布规律研究[J].真空科学与技术学报,2019,39(03):197-205.中并未过多考虑真空系统中真空腔室的压力特性；在文献中周强,张雷,庄春龙,贾厚林.某高空台气源机组匹配计算方法及试验技术研究[J].风机技术,2017,59(02):48-55.和王欲知,陈旭.真空技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.，传统关于计算排气速度以及计算维持压力所需排气量的方法精度较低，计算复杂；在文献Fluent高级应用与实例分析[M].清华大学出版社,江帆,2008中，当进行真空系统三维瞬态流场计算时，一般的流动软件边界条件必须是固定值，例如取固定的吸气量(流速)等，而实际中真空泵的吸气量随系统压力降低而减少。
所以现行的研究内容比较脱离实际，没有考虑真空系统中真空腔室的压力特性，传统方法也不能高效计算出实际生产实验环境中所需的真空环境的特性,进行真空系统三维瞬态流场计算时，边界条件必须是固定值，而实际中真空泵的吸气量随系统压力降低而减少，因此需要对计算软件的边界条件进行改造，使真空系统流场的边界条件随时间发生变化。为使工程技术人员能通过调整各种设计参数和操作参数，达到优化真空腔室降压速度以及提高维持压力稳定性的目的，迫切需要真空系统在真空泵作用下压力性能的计算方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供真空系统在真空泵作用下压力性能的计算方法。与常规的真空系统压力变化特性计算方法相比，能够改善计算精度、提高效率。
本发明至少通过如下技术方案之一实现。
一种真空系统在真空泵作用下压力性能的优化方法，包括以下步骤：
S1、构造真空系统的流动计算域模型；
S2、使用网格划分软件读取流动计算域模型中流动计算域，利用网格划分软件对流动计算域进行网格划分，形成网格文件；
S3、通过监测真空系统压力改变吸气量，模拟泵实际运行情况；
S4、使用流动模拟软件读取网格文件，按实际生产工况设置真空系统的流场计算域介质的物质特性并加入步骤S3获取得到的吸气量作为边界条件，监测流场的压力及吸气量变化，对流场进行计算以获取真空系统的压力变化特性，直至数值收敛为止；
S5、根据步骤S4获取的压力变化特性，调节实际生产工况的真空系统。
进一步地，步骤S1是在三维建模软件中构造真空系统的流动计算域模型。
进一步地，所述流场计算域是指真空系统内介质的流速、压力的分布区域。
进一步地，步骤S3具体包括以下步骤：
1)由厂方提供的产品性能曲线获取真空泵在各个压力下的吸气量；
2)使用数据分析软件对真空泵实际运行数据进行泵的压力-吸气量特性曲线拟合，得到吸气量Q和压力P的变化关系即Q＝f(P)，具体是按照网格序号从小到大的顺序，读取网格文件中各个网格的体积Vi以及压力值Pi，根据流体计算域体平均压力计算公式Pa＝Σ(Vi*Pi)/Vs求解流体域的压力值，其中，Vs表示真空系统总体积，i表示第i个网格；
3)将求解的压力值带入泵的压力-吸气量特性曲线，得到每一台泵在此压力值下对应的吸气量，并根据压力条件设置泵的数量，由单台泵吸气量和泵数量求解总吸气量，再流动模拟计算中，总吸气量将作为边界条件加载至抽气口处的每个网格。
进一步地，判断步骤S4中的数值是否收敛的判断有以下两种方式：
方式1、以残差值的变化判断，即默认当残差值都降到低于标准值的10-3时，则认为收敛；
方式2、监测并判断性能参数，即当整个系统的质量、动能和能量等都守恒时，则认为收敛。
进一步地，步骤S4中所述物质特性包括空气的操作压力和密度；所述边界条件包括进出口的速度、温度、初始压力和初始温度。
进一步地，所述真空系统包括主排气管道、次排气管道、真空泵和真空室；所述真空泵通过次排气管道与主排气管道连接，所述主排气管道与真空室连接。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明方法采用三维建模的方式，考虑了泵在不同操作压力下排气量的变化曲线，借助流动模拟软件进行分析，通过监测真空系统压力实时改变吸气量以模拟泵正式运行情况，运用流动模拟软件计算得到真空系统中真空腔体的压力变化等，分析了真空系统的压力变化特性。解决了现有的研究方法比较脱离实际，存在较大误差，没有考虑到真空腔体压力变化以及泵性能变化的缺点，为真空系统的安全运行提供坚实的技术支持，并为实际工业生产提供良好的指导。
附图说明
图1是本实施例的一种真空系统在真空泵作用下压力性能的优化方法的原理图；
图2是本实施例真空系统在真空泵作用下压力性能的获取方法的流程图；
图3是本实施例真空泵的压力-吸气量特性曲线示意图；
图4是本实施例真空系统计算域的半小时后中心截面处压力分布示意图；
图5是本实施例中真空系统的压力-吸气时间特性示意图；
图6是本实施例中真空系统的吸气量-吸气时间特性示意图；
其中：1-主排气管道，2-次排气管道，3-真空泵，4-真空室，5真空室壁面。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本实施例采用如图1所示的一座典型的真空系统，该真空系统包括主排气管道1、次排气管道2、若干个真空泵3、真空室4和真空室壁面5。真空泵3通过次排气管道2与主排气管道1连接，主排气管道1与真空室4连接。
真空系统实施例选取真空腔体长宽高分别为52m、50m、50m及抽气管道长6m，直径2m的真空系统作为研究对象，参数设置为：初始压力设置为一个大气压(绝对压力，取96000Pa)工作介质为空气，其中空气的密度当理想气体处理，气体的总泄漏量为2kg/s，出口设成4个相同型号真空泵同时抽气。
如图2所示的一种真空系统在真空泵作用下压力性能的优化方法，包括如下步骤：
S1、是在三维建模软件SOLIDWORKS中构造真空系统的流动计算域模型；
S2、使用网格划分软件ANSYS-ICEM读取流动计算域模型中真空系统流动计算域，并分别对内外流场计算域进行网格划分，形成网格文件；
其中，得到整个流场计算域的网格单元总数为220437个。
S3、由泵生产厂商提供的真空泵在各个压力下的吸气量，使用数据分析软件Origin对真空泵实际运行数据进行泵的压力-吸气量特性曲线拟合，得到吸气量Q和压力P的数学关系式Q＝f(P)，并编写适用于流动模拟软件的UDF(User Defined Functions,用户自定义功能)程序，该程序如表1所示，该程序可通过监测真空系统压力实时改变吸气量以模拟泵实际运行情况，泵的压力-吸气量特性曲线如图3所示；
表1本实施例所用的程序
S4、使用ANSYS-Fluent读取网格文件，按实际生产工况设置真空系统的流场计算域介质的物质特性和边界条件，导入步骤S3中的程序，监测流场的压力及吸气量变化，对流场进行计算以获取真空系统的压力变化特性，步长为1s，步数为1800步共30分钟，直至数值收敛为止，具体半小时后压力分布示意图、压力特性曲线和吸气量特性曲线如图4、图5和图6所示，其中P为真空系统的绝对压力，Q为真空泵的吸气量，t为吸气时间；
判断数值是否收敛的判断有以下两种方式：
方式1：以残差值的变化判断，即默认当残差值都降到低于标准值的10-3时，则认为收敛；
方式2：监测并判断性能参数，即当整个系统的质量、动能和能量等都守恒时，则认为收敛。
S5、根据步骤S4获取的压力变化特性，调节实际生产工况的真空系统。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合等均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种真空系统在真空泵作用下压力性能的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、构造真空系统的流动计算域模型；
S2、使用网格划分软件读取流动计算域模型中流动计算域，利用网格划分软件对流动计算域进行网格划分，形成网格文件；
S3、通过监测真空系统压力改变吸气量，模拟泵实际运行情况；
S4、使用流动模拟软件读取网格文件，按实际生产工况设置真空系统的流场计算域介质的物质特性并加入步骤S3获取得到的吸气量作为边界条件，监测流场的压力及吸气量变化，对流场进行计算以获取真空系统的压力变化特性，直至数值收敛为止；
S5、根据步骤S4获取的压力变化特性，调节实际生产工况的真空系统。
2.根据权利要求1所述的一种真空系统在真空泵作用下压力性能的优化方法，其特征在于，步骤S1是在三维建模软件中构造真空系统的流动计算域模型。
3.根据权利要求1所述的一种真空系统在真空泵作用下压力性能的优化方法，其特征在于，所述流场计算域是指真空系统内介质的流速、压力的分布区域。
4.根据权利要求1所述的一种真空系统在真空泵作用下压力性能的优化方法，其特征在于，步骤S3具体包括以下步骤：
1)由厂方提供的产品性能曲线获取真空泵在各个压力下的吸气量；
2)使用数据分析软件对真空泵实际运行数据进行泵的压力-吸气量特性曲线拟合，得到吸气量Q和压力P的变化关系即Q＝f(P)，具体是按照网格序号从小到大的顺序，读取网格文件中各个网格的体积Vi以及压力值Pi，根据流体计算域体平均压力计算公式Pa＝Σ(Vi*Pi)/Vs求解流体域的压力值，其中，Vs表示真空系统总体积，i表示第i个网格；
3)将求解的压力值带入泵的压力-吸气量特性曲线，得到每一台泵在此压力值下对应的吸气量，并根据压力条件设置泵的数量，由单台泵吸气量和泵数量求解总吸气量，再流动模拟计算中，总吸气量将作为边界条件加载至抽气口处的每个网格。
5.根据权利要求1所述的一种真空系统在真空泵作用下压力性能的优化方法，其特征在于，判断步骤S4中的数值是否收敛的判断有以下两种方式：
方式1、以残差值的变化判断，即默认当残差值都降到低于标准值的10-3时，则认为收敛；
方式2、监测并判断性能参数，即当整个系统的质量、动能和能量等都守恒时，则认为收敛。
6.根据权利要求1所述的一种真空系统在真空泵作用下压力性能的优化方法，其特征在于，步骤S4中所述物质特性包括空气的操作压力和密度；所述边界条件包括进出口的速度、温度、初始压力和初始温度。
7.根据权利要求1所述的一种真空系统在真空泵作用下压力性能的优化方法，其特征在于，所述真空系统包括主排气管道、次排气管道、真空泵和真空室；所述真空泵通过次排气管道与主排气管道连接，所述主排气管道与真空室连接。
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