氦制冷低溫真空系統(tǒng)的抽速和熱負(fù)荷的最佳化設(shè)計
影響大型氦制冷低溫真空系統(tǒng)抽速和熱負(fù)荷的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)相互制約, 需要通過蒙特卡洛方法進行最佳化設(shè)計。大型氦制冷低溫真空系統(tǒng)抽速可用下式計算
通過屏蔽板的氣體分子傳輸幾率可由下式計算
通過屏蔽板導(dǎo)致的氣體分子熱傳輸幾率可由下式計算
使用蒙特卡洛方法進行最佳化設(shè)計時,可以對影響抽速和氣體熱傳輸?shù)牟煌Y(jié)構(gòu)參數(shù)進行模擬計算,找出最佳結(jié)構(gòu),從而達(dá)到最佳化設(shè)計的目的。在過去進行蒙特卡洛模擬計算時,對系統(tǒng)進行了以下簡化假設(shè):
①計算時的流動狀態(tài)是分子流動,即不考慮分子間的碰撞,僅考慮分子與容器壁和大型低溫泵之間的碰撞;
②分子流流動在整個入口面積和計算空間上均勻分布的;
③分子進入固體角的概率和入口表面成正交角度的余弦成正比,與非抽氣表面相碰撞的分子反射服從余弦定律;
④被跟蹤分子的起點坐標(biāo)位于試驗物體的外表面試驗物體和容器及大型氦制冷低溫泵均為無限長圓柱體。低溫泵的低溫吸附表面均布于大型空間環(huán)境試驗設(shè)備容器的內(nèi)表面;
⑤被跟蹤的氣體分子一旦與20K的氦板冷凝面相碰, 立即被冷凝表面永久凍結(jié)。
根據(jù)上述這些假設(shè),國內(nèi)外對大型氦制冷低溫真空系統(tǒng)進行了蒙特卡洛模擬計算,但是計算結(jié)果卻與實際情況有較大的出入。
造成模擬計算與實際有較大偏差有計算模型誤差和計算過程誤差兩方面的原因。其中由于在建立計算模型時的一些假設(shè)與實際情況偏離較大,造成的模擬計算誤差是主要誤差來源。例如假設(shè)被跟蹤分子在計算空間上是均勻分布的情況與實際有相當(dāng)大的差距。根據(jù)我們的理論計算和其他單位研究成果,在大型空間環(huán)境試驗設(shè)備中, 當(dāng)大型氦制冷低溫真空系統(tǒng)工作時由于非均勻分布大抽速低溫表面的存在所造成的分子流密度分布不均勻現(xiàn)象較為突出, 分子流密度的最大值和最小值之差有可能大于20%。此外還有由于假設(shè)空間環(huán)模設(shè)備和低溫真空系統(tǒng)都是無限長圓柱體, 氣體分子一旦與氦低溫表面相碰撞即被低溫吸附表面永久冷凝, 忽略容器表面出氣的影響等其它假設(shè)所引起的模型誤差和計算過程誤差。更為嚴(yán)重的是根據(jù)這些誤差較大的計算結(jié)果指導(dǎo)設(shè)計時, 忽略了具體結(jié)構(gòu)的不同會對低溫抽氣系統(tǒng)帶來很大的差異和影響。因此使這些設(shè)計計算達(dá)不到最佳設(shè)計的目的。
在我們對實際大型空間環(huán)境試驗設(shè)備的大型氦制冷低溫真空系統(tǒng)的設(shè)計研究中注意到了上述這些問題。根據(jù)實際工程情況構(gòu)建了較為符合實際的計算模型。同時對計算過程中形成的計算誤差也進行了研究和修訂。這些工作有以下幾方面的特點:
①按照實際設(shè)備的結(jié)構(gòu), 建立計算模型。這是過去理論計算與實際相差較大的主要原因。并分別考慮大型空間環(huán)境試驗設(shè)備空載時和有大型試驗物品時對計算模型的誤差。根據(jù)試計算, 在空載時可假設(shè)被跟蹤的分子在整個試驗空間上是均勻分布的;
②考慮了氣體分子與氦制冷低溫泵低溫表面碰撞后的冷凝吸附的效率。例如氮氣分子在20K低溫表面的冷凝系數(shù)為0.6;
③比國外早期計算過程的計算分子數(shù)有較大增加, 并在分子碰撞次數(shù)等計算細(xì)節(jié)方面作進一步改進, 力圖更加接近實際,減少誤差;
④繼續(xù)保留分子碰撞及其反射均服從余弦定律等基本假設(shè);
⑤在計算中考慮了低溫泵具體結(jié)構(gòu)參數(shù)對流導(dǎo)幾率和輻射傳熱幾率的影響。
根據(jù)改進后的計算模型對大型空間環(huán)境試驗設(shè)備進行了最佳化設(shè)計計算。部分計算結(jié)果如表1所示。
表1 低溫泵蒙特卡洛最佳化設(shè)計部分計算數(shù)據(jù)
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