抽氣通道性能理論研究

趙 君

（核工業(yè)理化工程研究院，中國(guó) 天津 300000）

0 引言

在試驗(yàn)系統(tǒng)優(yōu)化過(guò)程中，一直比較重視的是幾個(gè)重要零部件尺寸的優(yōu)化。以前對(duì)于抽氣通道的研究較少，但作為當(dāng)中的重要組成部分，抽氣通道也直接影響著的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)，從而影響著整體試驗(yàn)系統(tǒng)的性能。因此，應(yīng)該對(duì)其性能及影響因素進(jìn)行研究。抽氣通道壓比是衡量抽氣通道性能的重要參數(shù)，要研究抽氣通道性能就一定要對(duì)不同情況下各種形式抽氣通道壓比進(jìn)行研究。抽氣通道對(duì)流場(chǎng)和壓力分布的影響比較復(fù)雜，在內(nèi)部氣體流量不同、壓力不同以及抽氣通道附近氣體工作介質(zhì)不同時(shí)各級(jí)抽氣通道壓比都有可能發(fā)生變化。本文選擇了合適的方法對(duì)抽氣通道進(jìn)出口壓力、壓比進(jìn)行了理論計(jì)算，找到了影響著抽氣通道性能而又方便調(diào)節(jié)的因素。通過(guò)理論研究掌握了抽氣通道對(duì)性能影響規(guī)律， 提出了抽氣通道優(yōu)化方案，使得抽氣性能達(dá)到預(yù)期指標(biāo)。同時(shí)，為今后各種型號(hào)抽氣通道系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研究、優(yōu)化提供了基礎(chǔ)和方向。

1 抽氣通道壓比計(jì)算方法和條件

首先， 假設(shè)抽氣通道內(nèi)由于氣體滲漏的原因，氣體壓力較高， 氣體為黏性流， 可以采用ANSYS FLUENT 給定出口壓力系數(shù)（約100） 和氣流運(yùn)動(dòng)速度，計(jì)算了入口壓力和出入口壓力比值。 計(jì)算時(shí)設(shè)置了動(dòng)壁面速度為3～100 m/s， 選擇Renormalizationgroup (RNG)湍流模型進(jìn)行計(jì)算。

當(dāng)抽氣通道密封性良好，附近壓力較低時(shí)，假設(shè)其為稀薄氣體，處于過(guò)渡區(qū)可以采用直接蒙特卡洛方法用模擬分子模擬實(shí)際分子的碰撞和運(yùn)動(dòng)，蒙特卡洛方法有幾條基本假設(shè)前提[1]：

假設(shè)模擬分子之間的碰撞為兩體碰撞即平均分子間隙遠(yuǎn)大于分子直徑并且模擬分子碰撞后速度遵守動(dòng)量和能量守恒定律；模擬分子碰撞后速度分配符合隨機(jī)抽樣條件。

計(jì)算過(guò)程中先按照每網(wǎng)格分子數(shù)分配到各個(gè)網(wǎng)格中， 然后再在每一網(wǎng)格中隨機(jī)分布分子的位置，計(jì)算中比較不同網(wǎng)格分子數(shù)設(shè)置，考慮了減少分子分布方差的原則。

抽氣通道進(jìn)出口壓力比計(jì)算步驟主要包括[1]：

（1）對(duì)抽氣通道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，置入模擬分子，設(shè)置各個(gè)模擬分子初始位置、初始速度；

（2）根據(jù)分子速度按照勻速運(yùn)動(dòng)規(guī)律估算模擬分子在一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的位移；

（3）進(jìn)行分子碰撞取樣，計(jì)算分子碰撞，假設(shè)既包括鏡面反射又包括漫反射，比例約1∶3，計(jì)算分子與邊界的相互作用；

（4）對(duì)抽氣通道計(jì)算區(qū)域內(nèi)的所有分子進(jìn)行重新排序；

（5）進(jìn)行抽氣通道進(jìn)出口壓力比的計(jì)算。

其余具體計(jì)算方法可以參考文獻(xiàn)[1-3]所述，不再贅述。

2 假設(shè)為黏性流計(jì)算結(jié)果

氣流稀薄程度是影響抽氣通道壓比的重要因素，假設(shè)為黏性流滿(mǎn)足N-S 方程，因此，假設(shè)認(rèn)為抽氣通道附近主要工作介質(zhì)為空氣，根據(jù)抽氣通道設(shè)計(jì)尺寸確定抽氣通道有效長(zhǎng)度、間隙、螺旋升角等計(jì)算條件，采用ANSYS FLUENT 對(duì)抽氣通道附近壓力分布進(jìn)行了計(jì)算。 計(jì)算結(jié)果如圖1 所示。

圖1 抽氣通道壓比值計(jì)算圖

從圖1 中可以看出，抽氣通道壓比較小，僅約為1.36，且計(jì)算中發(fā)現(xiàn)當(dāng)動(dòng)壁面運(yùn)動(dòng)速度較高（設(shè)置超過(guò)100 m/s 時(shí)）入口壓力計(jì)算值出現(xiàn)負(fù)值。由于實(shí)際抽氣通道附近氣流接近過(guò)渡區(qū)，采用黏性流假設(shè)進(jìn)行計(jì)算不符合實(shí)際。 因此為增大壓比，改變了抽氣通道尺寸，且采用直接蒙特卡洛方法進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下。

3 環(huán)境氣流壓力對(duì)抽氣通道壓比影響計(jì)算結(jié)果

環(huán)境氣流壓力是影響抽氣通道性能的又一重要因素。 環(huán)境氣流壓力主要影響著的功耗和溫度。 依據(jù)不同環(huán)境氣流壓力下抽氣通道附近氣體溫度變化和側(cè)壁壓力、中心壓力變化計(jì)算環(huán)境氣流壓力對(duì)抽氣通道壓比影響情況，計(jì)算過(guò)程中取氣流速度為動(dòng)壁面運(yùn)動(dòng)速度，抽氣通道附近工作氣體介質(zhì)為空氣。 結(jié)果如圖2 所示。

圖2 抽氣通道進(jìn)出口壓力比隨環(huán)境氣流壓力變化圖

從圖中2 可以看出，抽氣通道進(jìn)出口壓力比隨著環(huán)境氣流壓力的升高而降低。抽氣通道進(jìn)出口壓力比與環(huán)境氣流壓力基本呈線(xiàn)性關(guān)系，通過(guò)調(diào)節(jié)環(huán)境氣流壓力可以?xún)?yōu)化抽氣通道性能。 因此，環(huán)境氣流壓力是影響性能而又可以調(diào)節(jié)的重要因素。

4 抽氣通道尺寸對(duì)抽氣通道壓比影響計(jì)算結(jié)果

從上述計(jì)算結(jié)果來(lái)看， 抽氣通道進(jìn)出口壓力比偏大，會(huì)造成抽氣通道出口處壓力偏高，抽氣通道整體能耗增加，抽氣通道附近溫度偏高，可以適當(dāng)縮短抽氣通道長(zhǎng)度，減小抽氣通道進(jìn)出口壓力比，使得抽氣通道壓力分布更加合理。減小抽氣通道有效長(zhǎng)度的同時(shí)，增加了空間，還可以其他增加諸如溫度調(diào)節(jié)裝置等，改善溫度場(chǎng)從而改善系統(tǒng)的物理性能。 為此計(jì)算了抽氣通道有效長(zhǎng)度減小后抽氣通道進(jìn)出口壓比及最終抽空壓力變化情況，計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。抽空壓力隨抽氣通道有效長(zhǎng)度變化計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。

計(jì)算結(jié)果表明，截短抽氣通道后，抽氣通道壓比明顯降低， 抽氣通道截短到抽氣通道相對(duì)有效長(zhǎng)度為84%，抽氣通道壓比可下降57%左右，但由于氣流速度較高，抽氣通道壓比較大，雖然截短（抽氣通道相對(duì)有效長(zhǎng)度84%～74%） 后抽氣通道壓比明顯下降，但相對(duì)抽空壓力仍然可以保持在10-3～10-4，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)功耗產(chǎn)生大的影響，完全可以保證穩(wěn)定運(yùn)行，而從相關(guān)物理試驗(yàn)結(jié)果上看抽氣通道截短從而優(yōu)化溫度場(chǎng)可能可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)和設(shè)備的物理性能，因此，抽氣通道尺寸是影響性能而又可以重點(diǎn)調(diào)節(jié)的另一個(gè)因素。

圖3 抽氣通道進(jìn)出口壓力比值隨抽氣通道有效長(zhǎng)度變化圖

圖4 抽空壓力隨抽氣通道有效長(zhǎng)度變化圖

5 結(jié)論

假設(shè)為黏性流進(jìn)行計(jì)算，抽氣通道壓比較小，僅為1.36 左右，且計(jì)算中發(fā)現(xiàn)當(dāng)動(dòng)壁面運(yùn)動(dòng)速度較高（設(shè)置超過(guò)100 m/s 時(shí)）入口壓力計(jì)算值出現(xiàn)負(fù)值。 由于抽氣通道附近氣流接近過(guò)渡區(qū)， 采用黏性流假設(shè)進(jìn)行計(jì)算不符合實(shí)際，需采用直接蒙特卡羅方法進(jìn)行計(jì)算。

改變抽氣通道尺寸，采用直接蒙特卡洛方法進(jìn)行計(jì)算，抽氣通道壓比隨著氣流壓力的升高而降低。 抽氣通道壓比與氣流壓力基本呈線(xiàn)性關(guān)系，氣流壓力影響著功耗也就影響著溫度場(chǎng)和流場(chǎng)，通過(guò)優(yōu)化氣流壓力參數(shù)可以?xún)?yōu)化系統(tǒng)和設(shè)備的物理性能。 因此，將氣流壓力作為影響抽氣通道性能而又可以調(diào)節(jié)的重要因素進(jìn)行控制。

截短（抽氣通道相對(duì)有效長(zhǎng)度84%～74%）后抽氣通道壓比明顯下降，但相對(duì)抽空壓力仍然可以保持在10-3～10-4左右，不會(huì)對(duì)功耗產(chǎn)生大的影響，完全可以保證穩(wěn)定運(yùn)行，因此，抽氣通道尺寸是影響其抽空性能而又可以調(diào)節(jié)的另一個(gè)因素進(jìn)行控制。