抽气通道性能理论研究

赵 君

（核工业理化工程研究院，中国 天津 300000）

0 引言

在试验系统优化过程中，一直比较重视的是几个重要零部件尺寸的优化。以前对于抽气通道的研究较少，但作为当中的重要组成部分，抽气通道也直接影响着的温度场和流场，从而影响着整体试验系统的性能。因此，应该对其性能及影响因素进行研究。抽气通道压比是衡量抽气通道性能的重要参数，要研究抽气通道性能就一定要对不同情况下各种形式抽气通道压比进行研究。抽气通道对流场和压力分布的影响比较复杂，在内部气体流量不同、压力不同以及抽气通道附近气体工作介质不同时各级抽气通道压比都有可能发生变化。本文选择了合适的方法对抽气通道进出口压力、压比进行了理论计算，找到了影响着抽气通道性能而又方便调节的因素。通过理论研究掌握了抽气通道对性能影响规律， 提出了抽气通道优化方案，使得抽气性能达到预期指标。同时，为今后各种型号抽气通道系统设计、研究、优化提供了基础和方向。

1 抽气通道压比计算方法和条件

首先， 假设抽气通道内由于气体渗漏的原因，气体压力较高， 气体为黏性流， 可以采用ANSYS FLUENT 给定出口压力系数（约100） 和气流运动速度，计算了入口压力和出入口压力比值。 计算时设置了动壁面速度为3～100 m/s， 选择Renormalizationgroup (RNG)湍流模型进行计算。

当抽气通道密封性良好，附近压力较低时，假设其为稀薄气体，处于过渡区可以采用直接蒙特卡洛方法用模拟分子模拟实际分子的碰撞和运动，蒙特卡洛方法有几条基本假设前提[1]：

假设模拟分子之间的碰撞为两体碰撞即平均分子间隙远大于分子直径并且模拟分子碰撞后速度遵守动量和能量守恒定律；模拟分子碰撞后速度分配符合随机抽样条件。

计算过程中先按照每网格分子数分配到各个网格中， 然后再在每一网格中随机分布分子的位置，计算中比较不同网格分子数设置，考虑了减少分子分布方差的原则。

抽气通道进出口压力比计算步骤主要包括[1]：

（1）对抽气通道进行网格划分，置入模拟分子，设置各个模拟分子初始位置、初始速度；

（2）根据分子速度按照匀速运动规律估算模拟分子在一个时间步长内的位移；

（3）进行分子碰撞取样，计算分子碰撞，假设既包括镜面反射又包括漫反射，比例约1∶3，计算分子与边界的相互作用；

（4）对抽气通道计算区域内的所有分子进行重新排序；

（5）进行抽气通道进出口压力比的计算。

其余具体计算方法可以参考文献[1-3]所述，不再赘述。

2 假设为黏性流计算结果

气流稀薄程度是影响抽气通道压比的重要因素，假设为黏性流满足N-S 方程，因此，假设认为抽气通道附近主要工作介质为空气，根据抽气通道设计尺寸确定抽气通道有效长度、间隙、螺旋升角等计算条件，采用ANSYS FLUENT 对抽气通道附近压力分布进行了计算。 计算结果如图1 所示。

图1 抽气通道压比值计算图

从图1 中可以看出，抽气通道压比较小，仅约为1.36，且计算中发现当动壁面运动速度较高（设置超过100 m/s 时）入口压力计算值出现负值。由于实际抽气通道附近气流接近过渡区，采用黏性流假设进行计算不符合实际。 因此为增大压比，改变了抽气通道尺寸，且采用直接蒙特卡洛方法进行计算，结果如下。

3 环境气流压力对抽气通道压比影响计算结果

环境气流压力是影响抽气通道性能的又一重要因素。 环境气流压力主要影响着的功耗和温度。 依据不同环境气流压力下抽气通道附近气体温度变化和侧壁压力、中心压力变化计算环境气流压力对抽气通道压比影响情况，计算过程中取气流速度为动壁面运动速度，抽气通道附近工作气体介质为空气。 结果如图2 所示。

图2 抽气通道进出口压力比随环境气流压力变化图

从图中2 可以看出，抽气通道进出口压力比随着环境气流压力的升高而降低。抽气通道进出口压力比与环境气流压力基本呈线性关系，通过调节环境气流压力可以优化抽气通道性能。 因此，环境气流压力是影响性能而又可以调节的重要因素。

4 抽气通道尺寸对抽气通道压比影响计算结果

从上述计算结果来看， 抽气通道进出口压力比偏大，会造成抽气通道出口处压力偏高，抽气通道整体能耗增加，抽气通道附近温度偏高，可以适当缩短抽气通道长度，减小抽气通道进出口压力比，使得抽气通道压力分布更加合理。减小抽气通道有效长度的同时，增加了空间，还可以其他增加诸如温度调节装置等，改善温度场从而改善系统的物理性能。 为此计算了抽气通道有效长度减小后抽气通道进出口压比及最终抽空压力变化情况，计算结果如图3 所示。抽空压力随抽气通道有效长度变化计算结果如图4 所示。

计算结果表明，截短抽气通道后，抽气通道压比明显降低， 抽气通道截短到抽气通道相对有效长度为84%，抽气通道压比可下降57%左右，但由于气流速度较高，抽气通道压比较大，虽然截短（抽气通道相对有效长度84%～74%） 后抽气通道压比明显下降，但相对抽空压力仍然可以保持在10-3～10-4，不会对系统功耗产生大的影响，完全可以保证稳定运行，而从相关物理试验结果上看抽气通道截短从而优化温度场可能可以进一步提高系统和设备的物理性能，因此，抽气通道尺寸是影响性能而又可以重点调节的另一个因素。

图3 抽气通道进出口压力比值随抽气通道有效长度变化图

图4 抽空压力随抽气通道有效长度变化图

5 结论

假设为黏性流进行计算，抽气通道压比较小，仅为1.36 左右，且计算中发现当动壁面运动速度较高（设置超过100 m/s 时）入口压力计算值出现负值。 由于抽气通道附近气流接近过渡区， 采用黏性流假设进行计算不符合实际，需采用直接蒙特卡罗方法进行计算。

改变抽气通道尺寸，采用直接蒙特卡洛方法进行计算，抽气通道压比随着气流压力的升高而降低。 抽气通道压比与气流压力基本呈线性关系，气流压力影响着功耗也就影响着温度场和流场，通过优化气流压力参数可以优化系统和设备的物理性能。 因此，将气流压力作为影响抽气通道性能而又可以调节的重要因素进行控制。

截短（抽气通道相对有效长度84%～74%）后抽气通道压比明显下降，但相对抽空压力仍然可以保持在10-3～10-4左右，不会对功耗产生大的影响，完全可以保证稳定运行，因此，抽气通道尺寸是影响其抽空性能而又可以调节的另一个因素进行控制。