基于腔室模型的多级罗茨干式真空泵热物理过程仿真研究及性能分析

本文针对多级罗茨干式真空泵在半导体制造等工业应用中的热物理过程仿真难题，提出了一种基于腔室模型（Chamber Model）的新型仿真路径。该研究通过建立单级罗茨泵工作过程模型，结合粒子群优化（PSO）算法求解级间压力，有效解决了跨流态（从分子流到粘性流）和复杂流场的仿真挑战。实验验证表明，该方法能准确模拟泵的抽速特性，并为揭示其内部压力分布、功率分配和泄漏过程等工作特性提供了重要工具，对促进高真空条件下多级罗茨真空泵的设计优化具有重要意义。

^Highlight

多级罗茨干式真空泵的热物理过程仿真面临着跨流态和复杂流场的挑战。本文提出了一种基于腔室模型的新型仿真路径，包含两个步骤：计算各级罗茨泵的性能图谱，然后利用粒子群优化（PSO）算法求解级间压力。通过原型实验验证了该仿真程序在不同入口压力下的准确性，并进一步分析了气体压力分布、功率分配、泄漏过程及间隙敏感性，揭示了多级罗茨干式真空泵的工作特性。本研究结果增强了对多级罗茨干式真空泵热物理过程的理解，并为其设计和性能提升奠定了基础。

^{Section snippets}

^{Simulation Model of the Multiple-Stage Roots Dry Vacuum Pump}

本节首先描述并简化了多级罗茨干式真空泵的工作过程，提出了基于腔室模型的仿真路径。随后建立了详细的数学模型和仿真路径。最后，给出了包括性能图谱计算和级间压力求解在内的完整仿真流程。

^{Prototype Simulation and Model Verification}

本节通过多级罗茨泵原型的仿真和实测来验证所提出的程序。首先介绍了实验测试台和测量方法，然后详细展示了原型的仿真过程，最后通过对比模拟和实测的抽速曲线来验证所建工作过程模型的准确性。

^{Working Process Analysis of the Multiple-Stage Roots Vacuum Pump}

本节利用已验证的仿真模型进一步揭示多级罗茨真空泵的工作特性。首先分析了不同入口真空度下各级罗茨泵的容积效率和级间压力分布，以揭示其压力建立过程。接着分析了不同入口真空度下各级罗茨泵的气体压缩指示功率，以揭示其气体功率特性。

^Conclusion

多级罗茨真空泵的热物理过程仿真面临着跨流态和复杂流场的挑战。本文提出了一种基于腔室模型的新型有效仿真路径，包含两个步骤：计算各级罗茨泵的性能图谱，然后利用PSO算法求解级间压力。搭建了实验测试台来验证所提出的仿真程序，结果表明该模型能够准确预测多级罗茨真空泵的性能。进一步的分析揭示了泵的内部工作机理，为优化设计和性能提升提供了重要见解。未来的工作将集中于集成热效应和更复杂的泄漏模型，以进一步提高仿真精度。