趙 君

（核工業(yè)理化工程研究院，中國 天津 300000）

0 引言

在試驗(yàn)系統(tǒng)優(yōu)化過程中，一直比較重視的是幾個重要零部件尺寸的優(yōu)化。以前對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和流場，從而影響著整體試驗(yàn)系統(tǒng)的性能。因此，應(yīng)該對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。抽氣通道對流場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)不同時各級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。通過理論研究掌握了抽氣通道對性能影響規(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，為今后各種型號抽氣通道系統(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)動速度，計(jì)算了入口壓力和出入口壓力比值。 計(jì)算時設(shè)置了動壁面速度為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，假設(shè)其為稀薄氣體，處于過渡區(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，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)算過程中先按照每網(wǎng)格分子數(shù)分配到各個網(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）對抽氣通道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，置入模擬分子，設(shè)置各個模擬分子初始位置、初始速度；

（2）根據(jù)分子速度按照勻速運(yùn)動規(guī)律估算模擬分子在一個時間步長內(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度、間隙、螺旋升角等計(jì)算條件，采用ANSYS FLUENT 對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)動壁面運(yùn)動速度較高（設(shè)置超過100 m/s 時）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)境氣流壓力對抽氣通道壓比影響情況，計(jì)算過程中取氣流速度為動壁面運(yùn)動速度，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性關(guān)系，通過調(diào)節(jié)環(huán)境氣流壓力可以優(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 抽氣通道尺寸對抽氣通道壓比影響計(jì)算結(jié)果

從上述計(jì)算結(jié)果來看， 抽氣通道進(jìn)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(dāng)縮短抽氣通道長度，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度的同時，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(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)的另一個因素。

圖3 抽氣通道進(jìn)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(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)動壁面運(yùn)動速度較高（設(shè)置超過100 m/s 時）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性關(guān)系，氣流壓力影響著功耗也就影響著溫度場和流場，通過優(yōu)化氣流壓力參數(shù)可以優(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(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)的另一個因素進(jìn)行控制。