Нестеров С.Б., Васильев Ю.К., Андросов А.В. Методы расчета вакуумных систем

Нестеров С.Б., Васильев Ю.К., Андросов А.В. Методы расчета вакуумных систем. - М.: Издательство МЭИ, 2004. – 220с.

Описаны методы расчета сложных вакуумных систем, а также рассмотрены примеры применения данных методов для решения прикладных задач.
Для студентов специальности «Техника и физика низких температур» института теплоэнергетики и технической физики МЭИ.

Cкачать в формате pdf:
Nesterov_Metody-rascheta-vakuumnyh-sistems.pdf

ПРЕДИСЛОВИЕ

Развитие методов проектировочных расчетов вакуумного оборудования тесно связано с постоянным расширением областей его применения и в связи с этим с усложнением его структурных и технико-эксплуатационных характеристик. Эффективность и функциональная надежность различного технологического оборудования, в том числе вакуумного, непосредственным образом зависят от правильности принятых проектных решений. При этом необходимость обоснованности этих решений существенно возрастает при конструировании систем, используемых в таких ответственных приложениях, как термоядерная энергетика, системы моделирования космического пространства и др. Таким образом, создаются предпосылки к выделению области проектировочного анализа вакуумных систем в отдельную сферу, отвечающую за разработку наиболее эффективных конструкций и режимов эксплуатации вакуумного оборудования.

Задача авторов данной книги наиболее подробно рассказать о различных методах расчетов вакуумных систем, которые используются на практике при конструировании нового или модернизации существующего вакуумного оборудования, указать ключевые особенности этих методов и области их применения. Нужно сказать, что большое внимание уделено различным деталям использования рассмотренных подходов, а также вопросам их именно практической реализации приводятся исходные тексты программ для расчета, выводы расчетных формул и другая информация, необходимая для эффективного освоения методов анализа вакуумных систем. Для иллюстрации областей применения того или иного метода приведены решения ряда актуальных практических задач проектирования и модернизации вакуумного оборудования.

ВВЕДЕНИЕ

Бурное развитие и все более расширяющиеся области применения вакуумного оборудования, например для обеспечения технологических процессов в экспериментальных термоядерных установках, имитаторах космического пространства, ускорителях на встречных пучках, в микроэлектронике, физике твердого тела и других сферах, обусловливают разнообразие и индивидуальность физических и эксплуатационных факторов, увеличивающуюся структурную усложненность, возрастающую ресурсоемкость действующих и в еще большей степени разрабатываемых вакуумных систем. Таким образом, процесс проектирования современных вакуумных систем является сложной и разветвленной задачей, подверженной влиянию многих факторов, характеризующих специфичность и многообразие параметров функционирования вакуумной системы. Поэтому решение подобной задачи требует зачастую индивидуального подхода, так как современные реальные вакуумные системы являются сложными ресурсоемкими комплексами как с технологической, так и с экономической точки зрения и проведение исчерпывающих экспериментальных исследований на этапе проектирования затруднено или невозможно.

В связи с этим особое значение приобретает проведение предварительного анализа системы на этапе проектирования. целями подобного анализа могут быть: получение предварительных данных о характеристиках агрегата; моделирование рабочих режимов для выявления наиболее ответственных частей проекта; оптимизация агрегата по за-данным параметрам; сравнение нескольких альтернативных конструкций и др. Вышеупомянутые причины обусловливают необходимость развития таких идей и методов проектировочных расчетов сложных вакуумных систем, которые, с одной стороны, обладают максимально возможной степенью универсальности, т.е. позволяют строить алгоритмы и продукты на их основе, не требующие доработки для анализа каждой конкретной системы, а с другой стороны, дают возможность учитывать ключевые факторы, оказывающие существенное влияние на условия функционирования реальной вакуум системы: • наличие множественных распределенных источников и стоков; • сильную структурную усложненность; • наличие сильных температурных перекосов; • нестационарность протекающих процессов.

Современная ситуация с использованием различных методик подходов складывается следующим образом. Применение традиционных подходов для анализа реальных сложных вакуумных систем малоэффективно, так как эти подходы базируются на осредненных параметрах состояния разреженного газа и заимствованы из механики сплошных сред. Использование адекватных методов расчета, напротив, ориентировано на построение трехмерных полей дифференциальных характеристик газовой среды (молекулярной концентрации плотностей молекулярных потоков и др.). Давняя и широкая известность большинства подобных методов анализа сформировала устойчивый стереотип о простоте решения большинства задач, которые могут встать перед проектировщиком вакуумной системы, и соответственно о нецелесообразности дальнейшего развития существующих подходов.

Однако при попытке использовать для анализа конкретной вакуумной системы имеющиеся методы проектировщик сталкивается с их разрозненностью, половинчатостью, а зачастую и незавершенностью, что наряду с наличием чисто практических трудностей в освоении разветвленных и довольно громоздких математических аппаратов этих методов обусловливает сложность их непосредственного использования. Кроме того, увеличивающиеся требования к точности расчетов и к более адекватному описанию процессов, протекающих в вакуумных системах, обусловливают необходимость решения задач в нестационарной постановке, анализа систем со сложной динамически изменяющейся геометрией, находящихся в существенно неравновесных условиях, учета влияния параметров взаимодействия молекул со стенками и др. также особо актуальным представляется развитие подходов в направлении, позволяющем получать в результате анализа традиционные параметры вакуумных систем, такие как давление, концентрацию и другие, наиболее удобные и привычные для проектировщика в целях более эффективного дальнейшего их использования в работе над проектом.

Наличие вышеозначенных проблем, требующих решения, обусловливает актуальность обобщения имеющихся представлений и выработку на их основе и на базе необходимых модификаций единой максимально универсальной методики для анализа вакуумных систем, ориентированной на решение современных задач, стоящих перед проектировщиком. Отдельной проблемой, также требующей решения, является приведение такой методики к виду, позволяющему создать универсальные программные продукты, которые помогут провести комплексный анализ интегральных и дифференциальных характеристик любой вакуумной системы, причем без участия проектировщика в реализации расчетных алгоритмов.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

Глава 1
1. Назовите основные факторы, оказывающие влияние на условия функционирования реальной вакуумной системы.
2. Перечислите режимы течения газа.
3. Чем Различаются коэффициенты захвата и прилипания?
Глава 2
1. Какова область применения метода Монте-Карло пробной частицы?
2. Расскажите об области применения метода угловых коэффициентов.
3. В чем различие между элементарным, локальным и средним угловыми коэффициентами?
Глава 3
1. Перечислите известные вам методы расчета проводимости сложного трубопровода.
2. Объясните зависимость быстроты действия насоса Marathon-8 от количества накопленной воды.
3. Какие изменения конструкции насоса привели к значительному повышению его эффективности?
Глава 4
1. Какие параметры влияют на форму криослоя?
2. Как влияет коэффициент прилипания на индикатрису рассеяния частиц на выходе из трубопровода?
3. Чем обусловлена ярко выраженная неоднородность распределения молекулярной концентрации (приведенного давления) внутри системы вакуумной изоляции катушек тороидального поля ITER?
Глава 5
1. Что такое термомолекулярный эффект?
2. Как влияет конфигурация системы на коэффициент температурной транспирации?
3. Каково влияние температуры на коэффициент температурной транспирации?
Глава 6
1 Как влияют геометрические характеристики защитного экрана на характеристики крионасоса?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Саксаганский Г. Л., Молекулярные потоки в сложных вакуумных структурах. - М.: Атомиздат, 1980.
2. Fischer Е., Mommsen Н. Моntе Саrlо computations рf molecular flow in pumping speed test domes - Vacuum 17,309 (1967)
3. Suetsugu Y. Application of the Monte-Carlo Method to Pressure Claculation. J. Vac. Sci. Technol. 1996, A 14 (1). P. 245.
4. Теплопередача: Учебник для вузов /В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. – 4-е изд., перераб. и доп. - М.:Энергоиздат, 1981. - 416 с.
5. Davis D. H., Levenson L.L., Milleron N. Effect of “Rougher-that-Rough” Surfaces on molecular flow through short ducts. – J. of Appl. Phys. 1964. Vol. 35. №3. P. 529-532
6. Boiarski M., Wagner L., Nesterov S., Vassiliev Yu. Hydrogen pumping simulation for cryopumps. – Journal of Vacuum Science and Technology (A), 1999. Vol. 17. №4. Jul-Aug. P. 2099-2103.
7. Haefer R. A., Kryo-Vakuumtechnik: Grudlagen und Anwendungen, Springer-Verlag, Berlin, 1980.
8. Нестеров С. Б., Андросов А.В. Расчет профилей криослоев. Вакуумная техника и технология. СПб.: 2001. №4.С. 137-143.
9. Васильев Ю. К., Нестеров С. Б. Исследование влияния микроструктуры на характеристики нераспыляемых геттеров. Вакуумная техника и технология, СПб.: 2000. %1. С. 9-14.
10. Быков Д.В., Нестеров С.Б., Сабирзянов Н.Р. Расчет сложных вакуумных систем: Учебное пособие. М.: МГИЭМ, 2003.
11. Nestегоv S., Vassiliev Yu., Longsworth R.С. Effect on pumping-speed measurements due to variations of test dome design based on Monte-Carlo analysis. // J.Vac.Sci.Technol.2001. June/July.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие
Основные условные обозначения
Введение
Глава 1. Основные понятия вакуумной техники
Глава 2. Методы расчета
2.1. Обзор методов расчета
2.2. Метод угловых коэффициентов
2.2.1. Основные понятия
2.2.2. Расчет угловых коэффициентов
2.2.3. Примеры решения задач методом угловых коэффИЦИЕНТОВ
2.3. Метод Монте-Карло пробной частицы для свободно-молекулярного режима
2.3.1. Описание общего алгоритма
2.3.2. Построение полярных диаграмм скоростей частиц
2.3.3. Нахождение пространственного распределения частиц
2.3.4. Типы угловых распределений
2.3.5. Учет времени полета частицы
2.3.6. Учет скорости частицы
2.3.7. Определение распределения концентрации и давления
2.3.8. Пример расчета параметров коаксиального трубопровода
2.4. Метод Монте-Карло пробной частицы для режимов, допускающих межмолекулярные взаимодействия
2.5. Метод эквивалентных поверхностей
2.6. Метод балансовых уравнений
2.6.1. Аналитические соотношения
2.6.2. Расчет коэффициента захвата крионасоса Marathon-8 с помощью предложенного алгоритма
Глава 3. Использование методов расчета для анализа сложных вакуумных систем
3.1. Реальные вакуумные системы и их классификация
3.2. Проводимость сложного трубопровода в свободномолекулярном режиме
3.2.1 . Основные понятия
3.2.2. Методы расчета общей проводимости сложного трубопровода
3.2.3. Алгоритм расчета проводимости по теореме аддитивности обратной проводимости
3.2.4. Сравнение значений суммарной проводимости при ее расчетах разными методами
3.2.5. Пример расчета сложного трубопровода
3.3. Расчет характеристик откачных систем
3.3.1. Расчет проводимости и коэффициента захвата криоловушки с учетом формирующегося криослоя
3.3.2. Расчет и проектирование крионасоса
3.3. Комплексное исследование системы откачки продуктов термоядерного синтеза ITER
3.4. Анализ испытательных камер для определения характеристик откачных систем
Глава 4 . Использование методов расчета для анализа локальных характеристик элементов сложных вакуумных систем
4.1. Расчет профилей криослоев
4.1.1. Зависимости для определения профилей криослоев
4.1.2. Учет нелинейности
4.1.3. пример расчета профиля криослоя
4.2. Влияние микрогеометрии сорбентов на сорбционные характеристики крионасосов
4.2.1. Изучение характера поверхностей разных сорбентов
4.2.2. Моделирование фрагмента поверхности
4.3. Влияние углового распределения частиц на проводимость
4.3.1. Описание метода расчетов
4.3.2. Влияние закона распределения
4.3.3. Влияние значения коэффициента прилипания
4.4. Анализ криовакуумных условий в зоне вакуумной изоляции катушек тороидального поля IТЕR
4.4.1. Физические предпосылки и методология расчета
4.4.2. Общие условия расчетов
4.4.3. Расчет проводимости патрубков VVTS и лабиринтных соединений
4.4.4. Расчет распределения давления
Глава 5. Использование различных методов расчета для решения смежных задач вакуумной техники.
Исследование термомолекулярного эффекта
5.1. Расчет для случая двух сфер, соединенных диафрагмой
5.2. Расчет для случая двух сфер, соединенных трубопроводом
5.3. Влияние геометрии и температуры
Глава 6.Использование различных методов расчета для структурно-параметрической оптимизации сложных вакуумных систем
6.1 Конструкции и описание крионасосов
6.2. Анализ влияния геометрических характеристик экрана на его эффективность
Контрольные вопросы и задания
Список литературы

Следующая страница: Аметистов Е.В., Дмитриев А.С. Монодисперсные системы и технологии