真空漏孔中全流态气体流动特性蒙特卡罗模拟

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对于真空系统,漏气与抽气存在一定程度的矛盾,而这种矛盾决定了真空系统气密性与所能达到极限的极限真空度,真空系统的漏孔是一定会存在的,也是评价真空系统的一个至关重要的指标。稀薄气体在不规则的几何空间内部往往呈现出复杂的流动特征,传统的解析方法己不能满足问题求解的需要。随着计算机技术的发展,蒙特卡罗方法(MC)成为研究稀薄气体流动问题的重要方法,这也为对真空漏孔传输特性的研究提供了新的方法和思路。
  本文主要运用了试验粒子蒙特卡罗方法(TPMC)和直接模拟蒙特卡罗方法(DSMC)。通过一些实际的算例(将真空系统漏孔简化为圆截面直圆漏孔管道或者其他较为规则异形漏孔管道进行传输几率及流导的计算),讨论了它们在与真空技术相关的气体分子流和过渡流研究中的应用情况,绘制了一些漏孔管道内部的压力云图。为进一步完善真空系统漏孔的理论研究,使理论计算方法能够更有效地指导和应用于实际生产,这便是本文的最终目的。在理论分析方面主要做了以下几方面的工作:
  (1)分子流态下圆截面漏孔直管道、弯折漏孔管道以及异形组合漏孔管道的传输特性。模拟计算分子流态下各种简化漏孔管路的传输特性,包含传输几率、流导等参数,这些参数均随着漏孔管道长径比的增加而减小,在第三章中,在长径比L/D=10的漏孔管道的基础上改变了多种不同形状的管道,运用TPMC方法模拟计算的目的在于更好的对复杂的真空漏孔进行拟真,得出更加准确的结论。
  (2)过渡流态下单一气体在直圆漏孔管道内的传输特性。将漏孔简化为两端设有“缓冲区”的二维模型直圆漏孔管道模型,“缓冲区”分别代表真空及大气环境,运用DSMC方法模拟计算得出包含传输几率、流导等参数,具备与分子流相同的增减趋势,漏孔管道长度是相比于克努森数的变化更加影响这些参数变化的因素,在克努森数较大时尤为明显,以及管道内压力云图、流线图等,用于分析漏孔管道传输特性,压力随漏孔管道呈现层次性的递减。
  (3)过渡流态下混合气体在直圆漏孔管道内的传输特性。将能N2、O2、He大致按照78%、21%、1%比例模拟空气成分组成三种气体混合的混合气体。运用DSMC方法模拟计算得出包含传输几率、流导等参数,与分子流态和过渡流态下单一气体的模拟结果一样漏孔的长度越长传输几率与流导的值越小,即可以通过的气体比例越小,除此之外,还对管道内压力云图、流线图等做了举例分析,用于分析漏孔管道传输特性,压力的依然沿着漏孔管道逐渐降低,形成多条有层次的压力带,流线在克努森系数接近分子流态时,流线变得杂乱,这意味着气体分子与管壁的碰撞开始增加。
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