Введение к работе
- з -
Актуальность работы. В настоящее время актуальной стала задача получения с помощью безмасляных средств откачки не только высокого, но и среднего и низкого вакуума. К устройствам, позволяющим достичь этой цели, относятся криоконденсационные и криосорбционные насосы.
Представляет большой интерес изучение процесса интенсивной конденсации на поверхности в системах криовакуумирования. В крио-закуумных насосах конденсация может осуществляться при больших жоростях, температуры натекающего потока и криопгнели сильно раз-іпчаются. Это приводит к существенной неравновесности процесса.
Интенсивная конденсация малоизучена, особенно для смеси га-гав. Практически не исследованы многомерные течения, которые имеют «есто в криовакуумных устройствах, если газ достаточно разрежен.
Для проектирования наиболее эффективных насосов необходимо іметь зависимости таких свойств струи, как плотность, температура, :реднемассовая скорость движения, потоки массы и энергии в различ-1ых точках рабочей камеры от параметров газа на входе, условий конденсации, геометрии устройства. Также нельзя обойтись без зна-:ия того, как влияет на работу крионасоса присутствие в газовой меси неконденсируемого компонента.
Существующие методы расчета вакуумных систем приближенны, ребуют формального разделения течений на режимы (сплошной, сео-одно-молекулярный и переходный) по параметру, которым является исло Кнудсена (Kn-1/L, где 1 - средняя длина свободного пробега олекулы, L - характерный линейный размер), с последующим нсполь-ованием полуэмпирических зависимостей. Такой подход не позволяет ыявить действительное влияние столкновений частиц на распределе-ие важнейших макропараметров - плотности, давления, потоков мас-ы, энергии и т.д. - в рабочей камере криовакуумного устройства.
Существенная неравновесность процессов, протекающих в крио-энденсационных насосах, требует использования методов молекуляр-
но-кинетической теории, например, численного решения кинетпческог' уравнения Больцмана. Вычисление интеграла столкновений обеспечива ет строгий учет межмолекулярного взаимодействия.
Это особенно важно для расчета течений с конденсацией газово; смеси, где возникают дополнительные проблемы, связанные с влияние! различных компонентов друг на друга. Задача об интенсивной конденсации газовой смеси в настоящее время в общем виде не решена. Существующие подходы требуют дополнительных эмпирических допущений таких как близость процесса к равновесному, отсутствие взаимодействия между компонентами смеси и т.д. Такие предположения далеко ні всегда правомерны при расчетах течений в криовакуумных устройствах.
Цель работы. Численное исследование течений с конденсациеі однокомпонентного газа и бинарной смеси е присутствии неконденси-руемого или трудноконденсируемого компонента внутри крпоЕакуумногс модуля и выявление основных закономерностей этих процессов.
Определение роли межмолекулярного взаимодействия в разреженном однокомпонентном газе и в смеси при Кп-0.1-1.
Разработка программ для ЭВМ, позволяющих решать многомерные стационарные и нестационарные задачи о конденсации однокомпонентного газа и бинарной смеси в криовакуумных устройствах.
Научная новизна. Впервые методом прямого численного решени? кинетического уравнения Больцмана решены двумерная и трехмерна* задачи об интенсивной конденсации газа в так называемом переходное режиме течения бее дополнительных допущений, кроме общепринятых моделей потенциала межмолекулярного взаимодействия и взаимодействия газа с поверхностью.
Разработан алгоритм для моделирования многомерных течений с интенсивной конденсацией разреженной газовой смеси в крповакуумноы устройстве на основе прямого численного решения кинетического уравнения Больцмана, позволяющий осуществить строгий учет межмоле-
- 5 -сулярного взаимодействия между компонентами в смеси.
Впервые решены многомерные стационарная и нестационарная за-(ачи в общем виде для интенсивной конденсации смеси в присутствии [еконденсируемого и трудноконденсируемого компонента. В отличие от :уществующих в данной области подходов, представленные результаты юлучены без дополнительных эмпирических допущений, таких как от-:утствие взаимодействия между компонентами в смеси, близость провеса к равновесному и т.п.
Практическая ценность. Проведенное расчетное исследование еы-вило основные закономерности течений с конденсацией однокомпо-ентного газа и бинарной смеси в присутствии неконденсируемого или рудноконденсируемого компонента внутри криовакуумного устройства.
Определено влияние межмолекулярного взаимодействия в разре-енном однокомпонентном газе и в смеси при Кп-0.1-1., оказывающее ущественное влияние на эффективность работы насоса.
Разработана программа для ЭВМ моделирования многомерного те-ения с интенсивной конденсацией однокомпонентного газа на осноеє рямого численного решения кинетического уравнения Больцмана и рограмма для моделирования многомерных течений с интенсивной кон-енсацией разреженной газовой смеси в криовакуумном устройстве на снове прямого численного решения кинетического уравнения Еольцмз-а. позволяющего осуществить строгий учет межмолекулярного вэанмо-ействия между компонентами в смеси. Программы дают возможность роводить расчеты криовакуумных устройств и протекающих в них провесов в широком диапазоне параметров.
Апробация работы. Результаты работы изложены и обсуждены на -ой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, ?94), на 2-ой научно-технической конференции с участием зарубеж-jx специалистов "Вакуумная наука и техника" (Гурзуф, 1995). Эле-жты работы докладывались на 10-й и 11-й всесоюзных конференция;' з динамике разреженного газа (Москва, 1989 и Ленинград, 1991). на
- о -международном коллоквиуме "Евромех-235" по кинетической теории и процессам переноса, на 18-й и 19-й международных конференциях по динамике разреженных газов (Ванкувер, и Оксфорд, 1994). Основное содержание диссертации отражено в 12 работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка из 105 наименований. Общий объем работы 148 страниц, включая 72 рисунка и 3 таблицы.