Автореферат (Разработка математических моделей и методов расчета процесса течения разреженных газов при взаимодействии с направленными потоками частиц)

На правах рукописиШемарова Ольга АлександровнаРАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И МЕТОДОВ РАСЧЕТАПРОЦЕССА ТЕЧЕНИЯ РАЗРЕЖЕННЫХ ГАЗОВ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИС НАПРАВЛЕННЫМИ ПОТОКАМИ ЧАСТИЦСпециальность 05.04.06 – «Вакуумная, компрессорная техника ипневмосистемы»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2015Работа выполнена в Московском государственномуниверситете им. Н.Э.

Баумана (МГТУ им. Н.Э. Баумана).техническомНаучный руководитель:кандидат технических наук, доцентНикулин Николай КонстантиновичОфициальные оппоненты:доктор технических наук, профессорСеверцев Семен Алексеевич,ведущий специалист по вакуумной икриогенной технике ОАО НПО«Наука».кандидат технических наукРомочкинЮрийГеннадьевич,начальникасектораФГУП«Всероссийский электротехническийинститут им. В.И. Ленина».Ведущее предприятие:ОАО«Научно-исследовательскийинститут вакуумной техникиим.

С.А. Векшинского».Защита состоится «18» ноября 2015г. в 16 часов 30 минут на заседаниидиссертационного совета Д 212.141.16 при МГТУ им. Н.Э. Баумана по адресу:105005, г. Москва, ул. 2-я Бауманская, 5, стр.1.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО«МГТУ им. Н.Э. Баумана» и на сайте http://www.bmstu.ru.Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатьюучреждения, просим присылать по адресу: 105005, г.

Москва, ул. 2-яБауманская, 5, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.141.16.Автореферат разослан «16» октября 2015г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.141.16кандидат технических наук, доцентМ. А. КолосовОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность исследованияНеобходимость разработки теории и создания достаточно точнойматематической модели на ее основе, описывающей течение разреженного газав потоке металлического пара, определяется многообразием технологическихпроцессов, протекающих при наличии паров легкоплавких металлов, причемувеличение концентрации газообразных продуктов вследствие газовыделения,сорбционных и различных сопутствующих процессов (например, образованиепродуктов деления) ведет к уменьшению эффективности рабочих процессов.Для обеспечения допустимой концентрации откачиваемых газов (на уровневысокого и сверхвысокого вакуума) необходимо знать параметры течениягазовой среды в присутствии металлического пара.В настоящее время не существует теории, описывающей течениеразреженного газа в потоке металлического пара, давление которогосоответствует переходному режиму течения.

Несмотря на то, что исследованиятечения газа в этом режиме ведутся уже длительное время, теории, полноценноописывающей свойственные ему физические процессы, так и не разработано,как и универсального метода расчета параметров течения. Существуютразличные подходы для решения задачи о течении газа в каналах в переходномрежиме, но они дают значительную погрешность и нуждаются вэкспериментальной проверке.На сегодняшний день при описании процесса течения газа в магистралине учитывается взаимодействие откачиваемого газа с паром металла ииспользуются в основном полуэмпирические зависимости на основе уравнениядиффузии. Такое описание может быть использовано только в некоторыхчастных случаях, а также не позволяет учесть существенные факторы:возможность поглощения газа металлическим паром и поверхностью трубы,наличие градиента температуры в системе, вектор скорости потокаметаллического пара.

Также следует учесть, что такое описание применимотолько для течений с небольшими скоростями.Проведенный литературный обзор научно-технической литературыподтвердил правомерность сделанных предположений и необходимостьсоздания методов расчета процессов вакуумирования систем в присутствиинаправленного движения потока пара металла.

Известных аналогов описаниявзаимодействия разреженного газа с металлическим паром в переходномрежиме течения не обнаружено.Цель работы, объект и задачи исследованияЦель работы состоит в создании методов расчета и математическихмоделей пространственно-неоднородных течений разреженного газа в канале, вкотором движется поток металлического пара, а также в разработке алгоритмовдля реализации расчета основных параметров течения газа в канале с потокомметаллического пара.1Объектом исследования является течение газа в канале через потокметаллического пара в широком диапазоне давления и процесс откачкиразличных газов из систем с металлическим паром.Отношение давления пара к давлению газа в канале примерно равно 105,течение в канале соответствует переходному режиму или началу вязкостного.Это позволяет описать течение пара с помощью законов ламинарного течения,а для разреженного газа применить статистические методы численногомоделирования.Задачи исследования:1.

Создание ММ течения разреженного газа в широком диапазоне чиселКнудсена в вакуумных системах с геометрией любой сложности и потокомметаллического пара с учетом сорбирующих свойств металлического пара иповерхности канала; вектора скорости потока пара; скольжения на стенкеканала; нестационарности процесса; возможности простого введения в модельразличных возмущающих воздействий.2.

Разработка методов расчета основных параметров таких систем:проводимость U, эффективная быстрота откачки Sэф, массив векторовскоростей частиц в зависимости от времени t и положения в пространстве rC(t,r), давление газа p(t,r), плотность потока молекул газа v(r).3. Разработка программ для реализации расчета основных параметровтечения газа.4. Проведение расчетно-теоретических исследований на базеразработанной ММ: исследование влияние на параметры газового течениявеличины и скорости потока металлического пара и поглощающих свойствповерхности канала и металлического пара.5. Практическая реализация.Методы исследованияДля исследования течения газа в канале, в котором движется потокметаллического пара, были разработаны следующие математические модели:математическая модель на основе уравнения нестационарной диффузии;статистические математические модели (математическая модель на основеметода пробной частицы и метода частиц в ячейках).Каждая из моделей охватывает определенный диапазон Kn и имеет рядпреимуществ и ограничений при решении широкого спектра задач.Чтобы понять суть протекающих в рассматриваемой системе физическихпроцессов и выявить их закономерности, разработаны математические модели сопределенными допущениями.

Результаты численных экспериментов,полученных при моделировании течения разреженного газа в системе поразным методикам, сравниваются с экспериментальными данными и наосновании этого делаются выводы о применимости указанных методов изначимости различных факторов и процессов.2Научная новизнаВпервые создан комплекс математических моделей течения газа всистеме с потоком металлического пара для различных чисел Кнудсена.Впервые создана математическая модель течения разреженного газа вмагистрали с потоком металлического пара на основе уравнения диффузии.Данная модель охватывает вязкостный и начало переходного режимов течениягаза и позволяет рассчитать распределение давлений в магистрали и еепроводимость.

При Kn≤0,01 погрешность модели не превышает 4%, приKn=0,01..0,1 погрешность модели составляет 10..15%.Впервые создана математическая модель на основе метода пробнойчастицы, в которой учтены сорбирующие свойства металлического пара иповерхности канала, направление и величина потока металлического пара, икоторая позволяет рассчитывать системы с геометрией любой сложности.Данная модель охватывает молекулярный и начало переходного режимовтечения газа.

При Kn≥0,03 погрешность модели в пределах 3%, в переходномрежиме Kn=0,03..0,01 возрастает до 5..15%.Впервые создана математическая модель на основе метода частиц вячейках, в которой учтены следующие факторы: сорбирующие свойстваметаллического пара и поверхности канала; вектор скорости потока пара;скольжение на стенке канала; процесс нестационарный (модель должнаотображать его развитие во времени); возможность простого введения в модельразличных возмущающих воздействий.Данная модель охватывает весь диапазон чисел Кнудсена: при Kn≥0,01погрешность не превышает 5%, при Kn<0,01 возрастает до 10..20%.Практическая ценность работыОчевидно, что в случае, когда технология опережает теорию,увеличиваются затраты при проектировании и эксплуатации. Следовательно,предлагаемое исследование может быть полезно для расчета параметровтечения разреженного газа в системах с потоком металлического пара припроектировании следующих систем:− Электрогенерирующиеканалытермоэмиссионногореакторапреобразователя.

Чтобы получить оптимальные величины работы выходаэмиттера и коллектора и компенсировать объёмный заряд электронов, взазор между эмиттером и коллектором вводят легко ионизируемые парыцезия.− Высокотемпературные теплообменники, в которых в качестветеплоносителя используются легкоплавкие металлы.− Диффузионные средства откачки, в которых используютсялегкоплавкие металлы.

Например, парортутные насосы, которыеприменяют для откачки систем, где пары ртути − рабочая среда (ртутныевыпрямители, лампы), и в установках, где необходима высокая чистотарабочей среды (в масс-спектрометрах, сверхвысоковакуумных системахтермоядерных установок).3Положения, выносимые на защитуМетоды расчета пространственно-неоднородных течений разреженногогаза в канале, в котором движется поток металлического пара и математическиемодели для реализации расчета основных параметров течения газа в канале сучетом сорбционных свойств и скорости частиц пара и поглощающих свойствповерхностей канала.

Результаты теоретических исследований процессатечения разреженного газа в вакуумных системах с металлическим паром.Достоверность полученных данныхПроведено сравнение результатов численных экспериментов, полученныхпри моделировании течения разреженного газа в вакуумной системе спомощьюразработанногокомплексаматематическихмоделейсэкспериментальными данными, опубликованными в открытой литературе, и наосновании этого сделаны выводы о достоверности полученных результатов.Сравнения результатов моделирования проведено с экспериментальнымизначениями проводимости каналов.Работа внедрена для расчета вакуумной системы на ОАО «КраснаяЗвезда», что подтверждено актом. Использованы руководящие расчетныематериалы вакуумной системы с парами металлов.Личный вклад автора в работуРезультаты работы получены лично автором. Автором разработан методрасчета течения газа в вакуумной системе с металлическим паром, созданыматематические модели, разработаны алгоритмы расчеты и написаныпрограммы, в которых проведены численные эксперименты, и проведен анализрезультатов.Апробация работыОсновные результаты работы докладывалисьследующих конференциях и семинарах:иобсуждалисьна1.