抽氣通道性能理論研究

趙 君

（核工業理化工程研究院，中國 天津 300000）

0 引言

在試驗系統優化過程中，一直比較重視的是幾個重要零部件尺寸的優化。以前對于抽氣通道的研究較少，但作為當中的重要組成部分，抽氣通道也直接影響著的溫度場和流場，從而影響著整體試驗系統的性能。因此，應該對其性能及影響因素進行研究。抽氣通道壓比是衡量抽氣通道性能的重要參數，要研究抽氣通道性能就一定要對不同情況下各種形式抽氣通道壓比進行研究。抽氣通道對流場和壓力分布的影響比較復雜，在內部氣體流量不同、壓力不同以及抽氣通道附近氣體工作介質不同時各級抽氣通道壓比都有可能發生變化。本文選擇了合適的方法對抽氣通道進出口壓力、壓比進行了理論計算，找到了影響著抽氣通道性能而又方便調節的因素。通過理論研究掌握了抽氣通道對性能影響規律， 提出了抽氣通道優化方案，使得抽氣性能達到預期指標。同時，為今后各種型號抽氣通道系統設計、研究、優化提供了基礎和方向。

1 抽氣通道壓比計算方法和條件

首先， 假設抽氣通道內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（約100） 和氣流運動速度，計算了入口壓力和出入口壓力比值。 計算時設置了動壁面速度為3～100 m/s， 選擇Renormalizationgroup (RNG)湍流模型進行計算。

當抽氣通道密封性良好，附近壓力較低時，假設其為稀薄氣體，處于過渡區可以采用直接蒙特卡洛方法用模擬分子模擬實際分子的碰撞和運動，蒙特卡洛方法有幾條基本假設前提[1]：

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

計算過程中先按照每網格分子數分配到各個網格中， 然后再在每一網格中隨機分布分子的位置，計算中比較不同網格分子數設置，考慮了減少分子分布方差的原則。

抽氣通道進出口壓力比計算步驟主要包括[1]：

（1）對抽氣通道進行網格劃分，置入模擬分子，設置各個模擬分子初始位置、初始速度；

（2）根據分子速度按照勻速運動規律估算模擬分子在一個時間步長內的位移；

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

（4）對抽氣通道計算區域內的所有分子進行重新排序；

（5）進行抽氣通道進出口壓力比的計算。

其余具體計算方法可以參考文獻[1-3]所述，不再贅述。

2 假設為黏性流計算結果

氣流稀薄程度是影響抽氣通道壓比的重要因素，假設為黏性流滿足N-S 方程，因此，假設認為抽氣通道附近主要工作介質為空氣，根據抽氣通道設計尺寸確定抽氣通道有效長度、間隙、螺旋升角等計算條件，采用ANSYS FLUENT 對抽氣通道附近壓力分布進行了計算。 計算結果如圖1 所示。

圖1 抽氣通道壓比值計算圖

從圖1 中可以看出，抽氣通道壓比較小，僅約為1.36，且計算中發現當動壁面運動速度較高（設置超過100 m/s 時）入口壓力計算值出現負值。由于實際抽氣通道附近氣流接近過渡區，采用黏性流假設進行計算不符合實際。 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行計算，結果如下。

3 環境氣流壓力對抽氣通道壓比影響計算結果

環境氣流壓力是影響抽氣通道性能的又一重要因素。 環境氣流壓力主要影響著的功耗和溫度。 依據不同環境氣流壓力下抽氣通道附近氣體溫度變化和側壁壓力、中心壓力變化計算環境氣流壓力對抽氣通道壓比影響情況，計算過程中取氣流速度為動壁面運動速度，抽氣通道附近工作氣體介質為空氣。 結果如圖2 所示。

圖2 抽氣通道進出口壓力比隨環境氣流壓力變化圖

從圖中2 可以看出，抽氣通道進出口壓力比隨著環境氣流壓力的升高而降低。抽氣通道進出口壓力比與環境氣流壓力基本呈線性關系，通過調節環境氣流壓力可以優化抽氣通道性能。 因此，環境氣流壓力是影響性能而又可以調節的重要因素。

4 抽氣通道尺寸對抽氣通道壓比影響計算結果

從上述計算結果來看， 抽氣通道進出口壓力比偏大，會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，可以適當縮短抽氣通道長度，減小抽氣通道進出口壓力比，使得抽氣通道壓力分布更加合理。減小抽氣通道有效長度的同時，增加了空間，還可以其他增加諸如溫度調節裝置等，改善溫度場從而改善系統的物理性能。 為此計算了抽氣通道有效長度減小后抽氣通道進出口壓比及最終抽空壓力變化情況，計算結果如圖3 所示。抽空壓力隨抽氣通道有效長度變化計算結果如圖4 所示。

計算結果表明，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有效長度為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（抽氣通道相對有效長度84%～74%） 后抽氣通道壓比明顯下降，但相對抽空壓力仍然可以保持在10-3～10-4，不會對系統功耗產生大的影響，完全可以保證穩定運行，而從相關物理試驗結果上看抽氣通道截短從而優化溫度場可能可以進一步提高系統和設備的物理性能，因此，抽氣通道尺寸是影響性能而又可以重點調節的另一個因素。

圖3 抽氣通道進出口壓力比值隨抽氣通道有效長度變化圖

圖4 抽空壓力隨抽氣通道有效長度變化圖

5 結論

假設為黏性流進行計算，抽氣通道壓比較小，僅為1.36 左右，且計算中發現當動壁面運動速度較高（設置超過100 m/s 時）入口壓力計算值出現負值。 由于抽氣通道附近氣流接近過渡區， 采用黏性流假設進行計算不符合實際，需采用直接蒙特卡羅方法進行計算。

改變抽氣通道尺寸，采用直接蒙特卡洛方法進行計算，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性關系，氣流壓力影響著功耗也就影響著溫度場和流場，通過優化氣流壓力參數可以優化系統和設備的物理性能。 因此，將氣流壓力作為影響抽氣通道性能而又可以調節的重要因素進行控制。

截短（抽氣通道相對有效長度84%～74%）后抽氣通道壓比明顯下降，但相對抽空壓力仍然可以保持在10-3～10-4左右，不會對功耗產生大的影響，完全可以保證穩定運行，因此，抽氣通道尺寸是影響其抽空性能而又可以調節的另一個因素進行控制。