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      分子泵抽氣槽附近流場和抽氣性能理論研究

      2021-11-10 07:07:10
      科技視界 2021年30期
      關(guān)鍵詞:專用設(shè)備抽氣壁面

      趙 君

      (核工業(yè)理化工程研究院,天津300180)

      0 引言

      專用設(shè)備的能耗直接影響著其物理性能和經(jīng)濟(jì)性,是需要計(jì)算、測量和優(yōu)化的重要參數(shù)之一。要降低專用設(shè)備能耗,除需要改進(jìn)其內(nèi)部各個(gè)部件結(jié)構(gòu)尺寸之外,還有一個(gè)重要的方向,即通過分子泵對專用設(shè)備進(jìn)行抽空,減小專用設(shè)備工作過程中產(chǎn)生的摩擦能耗。

      要對分子泵進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),首先需要對分子泵附近流場進(jìn)行計(jì)算,了解分子泵抽氣槽形式不同,對整體流場的影響,從而選擇合適的抽氣槽形式。目前常用的槽型包括弓形和矩形兩種,但沒有對槽型不同對分子泵附近流場的影響進(jìn)行過詳細(xì)研究,也沒有找到相關(guān)試驗(yàn)和計(jì)算數(shù)據(jù)。

      目前所使用的分子泵形式比較單一,經(jīng)過測量能夠保證專用設(shè)備部分位置壓力低于一定量級,保證專用設(shè)備的工作,但沒有對分子泵附近氣流壓力分布進(jìn)行過詳細(xì)的理論和試驗(yàn)研究,沒有對整體壓力分布的合理性進(jìn)行判斷。

      針對上述問題,需要找到方法通過理論研究對分子泵附近流場、分子泵進(jìn)出口壓力進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算和分析。

      當(dāng)分子泵附近氣流壓力較高(由于專用設(shè)備氣體滲漏等原因)即處于黏性流區(qū)時(shí),可以采用求解N-S方程的方法計(jì)算分子泵附近流場和進(jìn)出口壓力比,判斷分子泵性能,F(xiàn)LUENT軟件能夠較為方便快捷的進(jìn)行分子泵抽氣通道模型建立,給定不同的入口、出口條件,選擇不同的湍流模型進(jìn)行分子泵抽氣通道附近流場時(shí)間推進(jìn)計(jì)算,因此首先選擇這種方法開展了不同設(shè)計(jì)分子泵抽氣槽附近流場計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇了分子泵的基本槽型。

      通過理論計(jì)算,根據(jù)數(shù)據(jù)顯示的分子泵附近流場和進(jìn)出口壓力的變化情況,設(shè)計(jì)了專門結(jié)構(gòu)分子泵,對其附近流場和性能進(jìn)行了驗(yàn)證計(jì)算,確定了特殊結(jié)構(gòu)分子泵能夠解決分子泵抽氣槽附近出現(xiàn)的部分位置氣體分子聚集和誘導(dǎo)流速度偏低問題。可以在專用設(shè)備當(dāng)中使用。

      1 分子泵附近流場計(jì)算方法及邊界條件

      要計(jì)算分子泵附近流場,可以根據(jù)分子泵附近氣流壓力特點(diǎn)選擇計(jì)算方法,在分子泵附近氣流壓力較高時(shí),克努森數(shù)小于0.1,詳見表1,分子泵附近氣流處于黏性流區(qū),可以采用FLUENT軟件進(jìn)行計(jì)算。具體計(jì)算方法可以見參考文獻(xiàn)[4]所述。這里僅介紹針對分子泵附近流場計(jì)算所采用的模型、算法的特殊之處。

      采用FLUENT軟件計(jì)算需要根據(jù)分子泵附近氣流特點(diǎn)選擇不同的網(wǎng)格、計(jì)算方法,給定邊界和外場條件。網(wǎng)格采用四邊形均勻網(wǎng)格。劃分個(gè)數(shù)的選擇需要保證網(wǎng)格雷諾數(shù)小于50,保證在分子泵和運(yùn)動(dòng)壁面處,能夠較為符合實(shí)際地反映流場情況。由于分子泵和運(yùn)動(dòng)壁面之間間隙很小,在毫米量級,因此沒有進(jìn)行網(wǎng)格的加密處理。根據(jù)目前使用的專用設(shè)備分子泵附近氣流特點(diǎn),選取基于壓力基求解方法的PISO算法,這種算法使用了動(dòng)量方程,兩次求解壓力校正方程,速度修正中忽略的項(xiàng)對計(jì)算結(jié)果的影響小,容易收斂,因此選擇這種方法計(jì)算不同槽型對其附近流場的影響情況。設(shè)置入口條件為壓力入口條件,出口條件為出流條件,設(shè)置側(cè)壁為運(yùn)動(dòng)壁面條件,運(yùn)動(dòng)相對速度為1。

      FLUENT軟件提供了多種湍流模型,考慮到分子泵附近氣流雷諾數(shù)為2000~3000,需要選擇湍流模型進(jìn)行計(jì)算,k-ε模型體現(xiàn)了湍動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散率的影響,符合分子泵附近流動(dòng)的湍流特點(diǎn),選擇這種模型進(jìn)行計(jì)算。

      假設(shè)分子泵附近氣流壓力較低時(shí),分子泵附近氣流克努森數(shù)在1~3,屬于稀薄氣體過渡流區(qū),需要選擇另外的方法進(jìn)行計(jì)算。選擇蒙特卡洛方法較為適合進(jìn)行過渡流區(qū)氣體流動(dòng)計(jì)算,這種方法考慮到了分子之間和分子與壁面之間的碰撞,進(jìn)行氣體分子運(yùn)動(dòng)分析。具體可以參考文獻(xiàn)[1-3]所述,不再贅述。

      采用直接蒙特卡洛方法,主要需要注意兩點(diǎn),首先要進(jìn)行雙體碰撞模型的選擇,由于變徑軟球模型考慮到了黏性碰撞截面和擴(kuò)散碰撞截面的柔軟系數(shù),在擴(kuò)散起主要作用的情況下較為符合實(shí)際,因此選擇這種模型進(jìn)行計(jì)算。

      在進(jìn)行分子與壁面相互作用計(jì)算過程中,有兩種反射模型。

      (1)鏡面反射:認(rèn)為入射分子與光滑表面作用,兩者相對速度的法向分量方向改變但大小不變,其余方向分量均不發(fā)生改變。分子與壁面碰撞前后的總剪切力不變,氣體分子與表面不發(fā)生能量交換。

      這種模型計(jì)算反射后速度較為簡單,僅法向速度分量改變方向。

      (2)完全漫反射模型:引入了Maxwell分布作為反射分子的散射分布,這種反射模型計(jì)算速度分布,可以取積累分布函數(shù)為在0,1間均勻分布的隨機(jī)數(shù),解出速度值。

      式中,V為速度;m為分子質(zhì)量;cr和ci為入射分子和反射分子的速度;k為Boltzmann常數(shù);Tr為入射流溫度,f+和f-分別為反射和入射分子的速度分布函數(shù)。

      計(jì)算中可以假設(shè)由兩種反射按照比例組成模型進(jìn)行計(jì)算。

      2 分子泵附近流場和壓力系數(shù)計(jì)算結(jié)果

      分子泵抽氣槽的槽型可以設(shè)計(jì)為矩形、弓形等形狀,為此對不同形狀抽氣通道,假設(shè)初始分子泵附近壓力較高(壓力系數(shù)為500~1000,根據(jù)不同型號專用設(shè)備發(fā)生滲漏時(shí)具體壓力系數(shù)情況進(jìn)行選擇)左右時(shí),分子泵抽氣通道附近流場可以使用FLUENT軟件進(jìn)行建模和計(jì)算,為了能夠較為清晰地看出不同槽型對分子泵附近流場的影響,計(jì)算時(shí)選擇假設(shè)分子泵與運(yùn)動(dòng)壁面間隙在毫米量級,計(jì)算時(shí)可以選擇不同的分子泵附近工作氣體介質(zhì)進(jìn)行了計(jì)算。各工作氣體介質(zhì)性質(zhì)、溫度等參數(shù)如表1所示。

      表1 氣體性質(zhì)及工作環(huán)境參數(shù)

      從表中數(shù)據(jù)可以看出,在所選計(jì)算條件下,分子泵附近氣流克努森數(shù)在0.01以下,屬于黏性流領(lǐng)域,在這一領(lǐng)域氣體動(dòng)力學(xué)方程仍然有效。可以使用FLUENT軟件進(jìn)行建模和計(jì)算,以期得到不同槽型對流場的影響情況,確定分子泵使用的槽型。

      假設(shè)分子泵槽型為矩形和弓形,設(shè)置分子泵槽左邊界為壓力入口,初始入口壓力系數(shù)為1 000,設(shè)置側(cè)壁為運(yùn)動(dòng)壁面,位置為x=0;相對運(yùn)動(dòng)速度為1。設(shè)置求解方法為PISO方法,湍流計(jì)算模型選擇k-ε模型,進(jìn)行了計(jì)算。

      分子泵槽網(wǎng)格共劃分為約9 000個(gè)網(wǎng)格,假設(shè)分子泵槽尺寸、槽與壁面間距都在毫米量級,較小,因此未進(jìn)行邊界層網(wǎng)格加密,整體網(wǎng)格尺寸滿足使用均勻網(wǎng)格,網(wǎng)格尺寸選擇使得網(wǎng)格雷諾數(shù)小于50,以便能夠準(zhǔn)確描述壁面附近的流場。

      計(jì)算得到了相對速度分布圖,如圖1、圖2所示,圖中分別為不同槽型情況下相對x方向速度分布圖。速度為負(fù)表示氣流沿誘導(dǎo)流相反方向運(yùn)動(dòng)。

      圖1 矩形分子泵螺旋槽速度分布圖(以空氣為介質(zhì))

      圖2 弓形分子泵螺旋槽速度分布圖(以空氣為介質(zhì))

      從圖1和圖2中可以看出,使用矩形槽和弓形槽的情況下,分子泵附近氣流速度分布有所變化。使用矩形槽,分子泵槽附近出現(xiàn)較為強(qiáng)烈的反擴(kuò)散流,氣流速度方向反向,出現(xiàn)渦結(jié)構(gòu)。使用接近弓形槽,分子泵槽附近流場速度分布相對平緩,沒有產(chǎn)生大幅反擴(kuò)散流和渦結(jié)構(gòu),為了避免反擴(kuò)散流出現(xiàn),在進(jìn)行分子泵設(shè)計(jì)時(shí)可以選擇弓形槽型。也選擇了其他氣體,例如,水蒸氣進(jìn)行了計(jì)算,得到了類似的結(jié)論。

      采用直接蒙特卡洛方法計(jì)算的沿壁面到分子泵螺旋槽壁面速度分布如圖3所示,設(shè)置分子泵附近氣流壓力系數(shù)在0.1~1,由于克努森數(shù)已經(jīng)達(dá)到1~3,因此分子泵附近氣流處于過渡區(qū),需要采用直接蒙特卡洛方法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算中假設(shè)分子泵附近氣體介質(zhì)為空氣。圖3中橫坐標(biāo)為距離壁面相對位置,縱坐標(biāo)為氣體誘導(dǎo)流方向統(tǒng)計(jì)相對運(yùn)動(dòng)速度。選擇變徑軟球模型進(jìn)行計(jì)算,圖3中相對速度為負(fù)表示分子泵氣流沿誘導(dǎo)方向運(yùn)動(dòng)。粒子數(shù)分布圖如圖4所示。

      圖3 稀薄氣體情況下分子泵螺旋槽附近氣體速度分布圖

      圖4 分子泵附近網(wǎng)格處氣體分子數(shù)分布圖

      從圖3和圖4中可以看出,分子泵附近氣體在與壁面進(jìn)行碰撞后,產(chǎn)生誘導(dǎo)流,誘導(dǎo)流速度很高,相對速度絕對值在2~3,可以達(dá)到良好的抽氣效果。誘導(dǎo)流的速度主要與距離壁面的距離有關(guān),遠(yuǎn)離壁面處由于氣體分子與壁面碰撞概率較低,氣體誘導(dǎo)流速度較低。

      根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,專用設(shè)備使用的分子泵可以采用弓形槽型,根據(jù)分子泵進(jìn)出口壓力計(jì)算結(jié)果,分子泵壓比超過10,專用設(shè)備內(nèi)部壓力小于要求量級,滿足使用要求。但從粒子分布來看,在分子泵相對x方向位置約0.2~0.3處,粒子數(shù)量偏高,氣體分子有一定的積累,會造成該區(qū)域溫度和壓力偏高,不利于分子泵長期使用。

      為了提高分子泵抽氣效果,可以考慮使用采用加長、分段形式分子泵設(shè)計(jì),中間留出沒有螺旋槽位置,加長的特殊設(shè)計(jì)分子泵如圖5所示。

      圖5 加長特殊分子泵示意圖

      假設(shè)分子泵初始?xì)饬飨”顟B(tài)處于過渡區(qū),根據(jù)此種特殊形式分子泵設(shè)計(jì)參數(shù),計(jì)算了其附近流場和壓比情況。具體計(jì)算參數(shù)、條件、計(jì)算結(jié)果如表2和圖6、圖7所示。

      圖7 沿分子泵抽氣槽氣體粒子分布圖

      表2 特殊形式分子泵計(jì)算參數(shù)、條件

      圖6 特殊分子泵附近氣體速度分布圖

      從計(jì)算結(jié)果可以看出,使用特殊設(shè)計(jì)分子泵,沿分子泵方向的氣流誘導(dǎo)速度很高,相對誘導(dǎo)速度絕對值達(dá)到6~7,經(jīng)過計(jì)算分子泵壓比為20~30,專用設(shè)備內(nèi)部壓力系數(shù)在0.1以下,且分子泵各處位置壓力變化較為平緩,沒有出現(xiàn)大幅或者階梯式變化,在上端附近位置壓力系數(shù)小于1,沒有出現(xiàn)氣體分子在分子泵上端附近較大程度累積,有利于分子泵長期使用和專用設(shè)備工作。

      4 結(jié)論

      首先,使用矩形槽,分子泵槽附近會出現(xiàn)較強(qiáng)的反擴(kuò)散流,出現(xiàn)渦結(jié)構(gòu),使用接近弓形槽,分子泵槽附近流場速度分布相對平緩,沒有產(chǎn)生大幅反擴(kuò)散流和渦結(jié)構(gòu)。為了避免范擴(kuò)散流出現(xiàn)在進(jìn)行分子泵設(shè)計(jì)時(shí)可以選擇弓形槽型。

      其次,根據(jù)分子泵進(jìn)出口壓力計(jì)算結(jié)果,分子泵壓比超過10,專用設(shè)備內(nèi)部壓力小于要求量級,滿足使用要求。但從粒子分布來看,在分子泵相對x方向位置為0.2~0.3處,粒子數(shù)量偏高,氣體分子有一定的積累,會造成該區(qū)域溫度和壓力偏高,不利于分子泵長期使用。

      最后,使用帶無螺旋槽段特殊設(shè)計(jì)分子泵,沿分子泵方向的氣流誘導(dǎo)速度很高,相對誘導(dǎo)速度絕對值達(dá)到6~7,分子泵壓比為20~30,專用設(shè)備內(nèi)部壓力系數(shù)在0.1以下,且分子泵各處位置壓力變化較為平緩,沒有出現(xiàn)大幅或者階梯式變化,在上端附近位置壓力系數(shù)小于1,沒有出現(xiàn)氣體分子在分子泵上端附近較大程度累積,有利于分子泵長期使用和專用設(shè)備工作。

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