水环真空泵（简称水环泵）是一种粗真空泵，它所能获得的极限真空为2000~4000Pa，与真空泵组成机组真空度可达1~600Pa。水环泵最初用作自吸水泵，而后逐渐用于石油、化工、机械、矿山、轻工、医药及食品等许多工业部门。在工业生产的许多工艺过程中，由于真空应用技术的飞跃发展，水环泵在粗真空获得方面一直被人们所重视。水环真空泵内装有带固定叶片的偏心转子，是将水（液体）抛向定子壁，水（液体）形成与定子同心的液环，液环与转子叶片一起构成可变容积的一种旋转变容积真空泵。水环真空泵独特的工作原理, 使其具有突出的优点, 可以抽除易燃、易爆及腐蚀性气体, 还可以抽除含水、含尘的气体, 所以在低真空和低排气压力的范围内应用仍然非常广泛^[1]。

很难准确地指出水环真空泵是什么时候发明的，因为它有很多名字和形式。但是在英国，最早的利用再生工作原理概念的可能是Imray的螺旋泵^[2]，它由一个在圆柱壳内旋转的桨形轮组成，具有固定的叶片，类似于平行流动的涡轮，在工作流体进入叶轮之前，它会对工作流体产生螺旋流模式。水环泵的确切工作原理引起了许多研究人员的兴趣。这些年国外的专业人员已经使用各种理论模型、实验测试研究和最近的计算建模技术对其进行了研究。

卡尔森和阿吉迪斯^[3]对水环泵工作原理的研究进行了更详细的回顾。当叶轮按指示的方向顺时针旋转时，水被叶轮抛向四周，由于离心力的作用，水形成了一个决定于泵腔形状的近似于等厚度的封闭圆环。水环的上部分内表面恰好与叶轮轮毂相切，水环的下部内表面刚好与叶片顶端接触。此时叶轮轮毂与水环之间形成一个月牙形空间，而这一空间又被叶轮分成叶片数目相等的若干个小腔。如果以叶轮的上部0°为起点，那么叶轮在旋转前180°时小腔的容积由小变大，且与端面上的吸气口相通，此时气体被吸入，当吸气终了时小腔则与吸气口隔绝；当叶轮继续旋转时，小腔由大变小，使气体被压缩；当小腔与排气口相通时，气体便被排出泵外。

英国兰彻斯特大学的N.D.Karlsen Davies和G.A.Aggidis^[4]通过检查水环真空泵的工作原理提出了一些关于水环泵的几何参数的发展和改进，提出要把未来的研究重点放在提高效率的整体方法上。角田^[5]则是介绍了运动粒子半隐式（MPS）格式在旋转叶轮液体环真空泵不可压缩粘性流体流动问题中的应用。数值计算结果表明，该方法通过旋转叶轮泵内的不可压缩粘性流体流动，具有较好的实用性和有效性。

国内对于水环真空泵的研究工作开展得较晚, 与国外有较大差距, 水环真空泵的研发水平远远不能满足实际应用中的要求，但近年来国内的研究人员在水环真空泵方面也取得了不错的成绩。岳玉梅^[6]在国内外水环泵研究还在理论推导方面的情况下，在其参数优化和计算机辅助设计方面进行了深入研究，建立了一套新的设计系统，缩短了设计周期，提高了设计精度，使一向繁琐复杂的水环泵设计过程变得简单、方便。郑志扬^[7]在水环泵设计计算中，提出了一种新的函数表格法来确定压缩段中每个转角α所对应的σ值。这个新方法不仅没有以前图解法求解那样大的作图量和计算量，而且还提高了读数精度，由于改进了σ的计算方法，水环内界线的计算也得到了简化和提高了计算精度。

李峰^[8][9]等人通过对水环泵的运动规律分析、对临界压缩比的计算和对泵吸排气孔的影响，得出了结论：通过更改圆盘吸排气孔面积,可有效降低泵泄漏及气体损耗。针对不同工况选择适宜的吸排气孔,对于提高水环泵运行效率具有很高的实用价值。宣星波^[10]主要是针对水环泵最大工作水温的确定进行研究,主要目的就是探讨出科学的水环真空泵最大工作水温的确定方式,从而实现水环泵的科学有效利用。由于水环式真空泵突出作用, 其应用日益增多, 但是缺点也是日渐暴露。尤其是水常见的故障和专业的维修方法, 让水环泵使用者长期因此而被困扰, 肖林^[11]对这方面的问题进行了研究,为业内提供了十分重要的实用价值。浮红霞和陈西平^[12]论述了水环真空泵在出口有反压的条件下泵性能的确定方法,并将理论计算值与实测值进行了比较,两者符合度较好,证明计算精度满足实际应用要求。

国内学者在国外学者的研究基础上，开始通过一些计算机辅助软件来对水环真空泵的工作原理和参数变化进行分析。李虎林^[13]等人采用Fluent软件对泵内部流场进行了三维数值仿真，经过仿真结果和分析结果的对比，得出了通过泵内部流场的三维数值仿真可以对泵的主要性能参数做出较为准确的预测的结果, 为泵的改进设计和优化提供了理论依据。而黄思、罗力^[14][15]等则先采用Pro/toolkit二次开发技术对喷射器流道模型进行参数化设计, 以VC 6.0为编译和连接工具开发了喷射器的参数化设计程序, 大大提高了建模效率。而后利用ANSYS CFX分软件及湍流模型, 通过改变液环泵喷射器的结构参数, 模拟其内部的三维流动探讨了结构参数对喷射器内部流场及性能的影响。

根据以上国内外现状分析可知，对水环泵的研究目前主要是利用计算机辅助软件进行三维建模和模拟分析。由于水环式真空泵的工作原理使得其优点和缺点都十分显著，有效的效率一般只有30%，最好的也只有50%，而且不仅是因为受到结构上的限制，更重要的是受工作液饱和蒸气压的限制，水环式真空泵的真空度低，用水作工作液，极限压强只能达到2000~4000Pa，用油作工作液，可达130Pa。但是通过模拟水环泵的工作情景可以对其内部结构和参数进行改进，从而达到提高有效效率和提高真空度的目的。

为了更好的对水环泵进行深入研究，必须对其进行内部的仿真模拟流动分析，来分析和改进其内部的参数和结构。因此进行水环泵内部流动CFD仿真分析的研究是有着一定的理论研究意义和实际应用价值的。

2. 研究的基本内容与方案

研究内容