真空系統的設計研究有時充滿了挑戰，因為一些分析方法僅僅在氣體分子的相對移動速度比真空壁的速度快得多的情況下可行。渦輪分子泵不屬于此類情況，它可以采用蒙特卡洛方法和 COMSOL Multiphysics? 軟件提供的旋轉坐標系 特征進行建模和分析。下文將通過具體案例進行演示。

深入渦輪分子泵的內部結構

真空技術出現在許多高科技應用中，例如半導體加工、質譜儀和材料加工。這種技術利用真空泵從密閉的真空室中抽出空氣分子，從而創造出一個低壓環境。

渦輪分子泵屬于真空泵的一種，它由葉片狀渦輪構成。現代渦輪分子泵的葉片旋轉速度極快，高達 90,000 rpm。

一臺渦輪分子泵。

高速旋轉的葉片將動量傳遞給氣體分子，從而使氣體壓縮，并在葉片驅動下從入口流動到出口。結果是，泵能夠在葉片靠近入口的一側產生并保持高真空。這個抽氣過程在自由分子流狀態下更能顯示出其優越性，因為多數氣體粒子是與轉子碰撞，而不是彼此相互撞擊。

為了更好地了解與設計渦輪分子泵，您可以使用 COMSOL Multiphysics 對其進行建模。不過，首先我們要找出最優的建模方法。

使用“粒子追蹤模塊”模擬渦輪分子泵

在構建模型時，我們沒有繪制整臺渦輪分子泵的幾何，而是繪制了渦輪分子泵的一部分（一排葉片）。利用該模型，我們計算了葉片之間空隙內的氣體分子軌跡。根據扇形對稱性，我們可以得到整個分子泵的仿真結果

渦輪分子泵其中一個扇區的幾何模型。灰色代表兩個葉片之間的空隙，綠色代表葉片壁，黑色代表轉子葉片根部。

雖然不在此例中使用，不過“分子流模塊”的自由分子流 接口是求解模型方程、計算泵中自由分子流動狀態的有效方法。當極稀薄氣體分子的移動速度比建模域中的任何物體都快得多時，此接口是一個實用工具。然而，在渦輪分子泵中，氣體分子的速度與葉片速度相當。因此，我們需要針對此問題采用不同的方法。

渦輪分子泵的示例模型。

我們使用蒙特卡洛方法和旋轉坐標系 特征（COMSOL Multiphysics 5.3 版本“粒子追蹤模塊”的新功能），自動對粒子施加虛擬的科里奧利力和離心力。可借此計算葉片所在非慣性參考系內的粒子軌跡。

該方法能夠準確計算葉片速度比對抽氣性能的影響，例如最大壓縮比、傳遞概率和最大速度因子。這些特性均基于氬原子從入口到出口及反向的傳遞概率。

如需詳細了解如何創建此模型及其幾何參數和假設，請查看渦輪分子泵的教程文檔。

分析渦輪分子泵中的粒子軌跡

第一步，計算沿正向（從入口到出口）和反向（從出口到入口）方向傳播的粒子的傳輸概率。如預期所料，當葉片處于靜止狀態時，概率大致相等。這是因為兩個方向之間沒有區別。

但當葉片開始加速旋轉之后，粒子更容易通過泵正向傳輸，因為葉片壁成功地將動量傳遞到氬原子。這也對應了不斷增加的壓縮比。

沿正向（上）和反向（下）方向傳播的粒子百分比與葉片速度比的函數關系。

我們還研究了壓縮比和速度因子如何受葉片速度比的影響。為了制造足夠的壓縮效果和速度大小，泵使用了由多個圓盤和不同類型的葉片構成的多葉片結構。靠近入口的葉片抽氣速度快，壓縮比小，而靠近出口的葉片具有相反的特性。

如下圖所示，當葉片速度增加時，最大壓縮因子和速度因子隨之增大。這證明了同時使用兩種葉片類型能夠提高泵的性能。

葉片速度對最大壓縮比（上）和最大速度因子（下）的影響。

本文介紹的案例重點演示了新增的建模功能，方便您更容易分析渦輪分子泵。點擊閱讀原文，下載渦輪分子泵教程，嘗試自己動手操作。

來源：COMSOL