（化工过程机械专业论文）直圆管道内两种流态下气体流动的模拟计算.pdf

i ad i s s e r t a t i o ni nc h e m i c a lp r o c e s sm a c h i n e r y t w o s t r a i g h tc i r c u l a rt u b ef l o wu n d e r t h eg a s nj 1 1 0 ws l m u l a n o n b yw e n y a n x i u s u p e r v i s o r ：v i c e - p r o f e s s o rz a n gs h i w e i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 p 、 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = 比 恩0 学位论文作者签名：拯燕嘈 日期：汐口9 占、名 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年彳一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：湿握。嚆 签字日期：抛9 6 z 莎 导师签名： 签字日期： 涨眵f 匆 一，t 甲 一一_ - ， 岛 羹 ： “ f 一_ i l l t 东北大学硕士学位论文 摘要 直圆管道内两种流态下气体流动的模拟计算 摘要 长直圆管道内气体流动问题是真空抽气理论研究中最基本的问题，也是研究最多， 理论最成熟的一部分内容。但是在一些特殊的应用场合中流动控制的细节上还存在一些 问题有待于解决。本文研究了长直圆管道快速抽真空问题和分子流态下长直圆管道出口 处分子的分布规律问题。 在研究真空搬运机械手快速响应的过程中，本文建立了真空机械手快速响应时间的 数学模型，并对数学模型进行求解。在求解其中真空度响应时间的过程中发现，数学模 型不能求解。为了解决这个问题本文采用了f l u e n t 模拟的方法，但是模拟过程中发现 f l u e n t 软件没有合适的边界条件，于是本文采用了u d f 编程的方法解决非稳态流动速 度的边界条件问题。利用模拟结果对模型进行优化，结果表明优化后的结构能够满足工 程的需要。把f l u e n t 软件引入到真空抽气模拟过程中，这不仅可以指导实际应用还为流 体计算软件在真空模拟方面的应用和软件自身算法改进提供了新思路。利用f l u e n t 软件 进行真空抽气过程的模拟，可以直观的体现抽气过程的各种参数变化，在新产品开发过 程中可以部分代替实物试验，减少试验风险，降低生产成本。 目前对于分子流下分子穿过直圆管道后的分布规律问题研究还不完善，本文总结前 人研究的成果进一步完善了分子流态下长直圆管道出口处分子分布规律理论。本文建立 了直圆管道中分子第一次飞行的数学模型并进行求解。由于数学模型不能够完全表达分 子的运动规律，所以用蒙特卡洛法编程解决数学模型没有解决的问题。程序计算结果与 第一次飞行分子的数学模型计算结果吻合，说明程序是正确可信的。程序对穿过长直圆 管道的气体分子进行分类讨论，比较了直接穿过长直圆管道的分子和碰撞后间接穿过长 直圆管道的分子对整体束流效应的贡献程度。本文还提出了“角度束流效应评价参数 概念，完善了束流效应评价参数理论。数学模型计算结果和蒙特卡洛法模拟结果表明经 典的束流效应理论模型存在误差。 关键字：稀薄气体流动长直圆管道蒙特卡洛法束流效应 i i i k，一r1l_【、_意，j：，- 。 ：、 。电 。，0l-，|噩f-p 。i，tl【 1i 东北大学硕士学位论丈 h b s t r a c t s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o no fg a sf l o w o ft w 0k i n d sf l o w p a t t e r n si ns t r a i g h tc y l i n d r i c a lp i p e l i n e a bs t r a c t t h eg a sf l o wp r o b l e mi nt h el o n gs t r a i g h tc y l i n d r i c a lp i p e l i n ei st h em o s tf u n d a m e n t a l p r o b l e mi nt h es t u d yo ft h ev a c u u mp u m p i n gt h e o r y h o w e v e ri ns o m es p e c i a la p p l i c a t i o n s i t u a t i o n s ，t h e r ea r es o m eq u e s t i o n si nt h ed e t a i l so nf l o wc o n t r o lw h i c hr e m a i nt ob er e s o l v e d t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h er a p i dv a c u u mp u m p i n gp r o b l e m si nt h el o n gs t r a i g h tc y l i n d r i c a l p i p e l i n ea n dt h em o l e c u l e sd i s t r i b u t i o np r o b l e m so fm o l e c u l a rf l o wi n t h el o n gs t r a i g h t c y l i n d r i c a lp i p e l i n e o nt h es t u d yo ft h ep r o c e s so fv a c u u mt r a n s p o r t a t i o nm a n i p u l a t o rr a p i dr e s p o n s e ，t h i s p a p e re s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ev a c u u mt r a n s p o r t a t i o nm a n i p u l a t o rr a p i d r e s p o n s et i m e o n t h ep r o c e s so fs o l v i n gt h ev a c u u mr a p i dr e s p o n s et i m e ，w ef o u n dt h a tt h e m a t h e m a t i c a lm o d a lc a nn o tb es o l v e d t or e s o l v et h i sp r o b l e m ，t h i sp a p e ra d o p t e df l u e n t s i m u l a t i o nm e t h o d b u ti nt h ep r o c e s so ft h es i m u l a t i o n ，w ef o u n dt h a tt h ef l u e n ts o f t w a r ed i d n o th a v et h es u i t a b l eb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，s ot h i sp a p e ru s e dt h eu d fp r o g r a m m i n gm e t h o d t os o l v et h i sn o n s t e a d yf l o wr a t eb o u n d a r yc o n d i t i o n sp r o b l e m b yu s i n gt h i ss i m u l a t i o n r e s u l t st oo p t i m i z et h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eo p t i m i z e ds t r u c t u r ec a n m e e tt h ee n g i n e e r i n gn e e d s b ya p p l y i n gt h ef l u e n ts o f t w a r et ot h ep r o c e s so fv a c u u m p u m p i n gs i m u l a t i o n , n o to n l yc a ng u i d ep r a c t i c a la p p l i c a t i o nb u ta l s oc a no f f e rn e wi d e a so f t h ea p p l i c a t i o no fv a c u u ms i m u l a t i o na n dt h ei m p r o v e m e n to ft h es o f t w a r ei t so w na l g o r i t h m b yu s i n gt h ef l u e n ts o f t w a r et os i m u l a t et h ev a c u u mp u m p i n gp r o c e s s ，a l lk i n d so ft h e p a r a m e t e r sc h a n g e so ft h ep u m p i n gp r o c e s sc a nb ed i s p l a i e dd i r e c t l y i nt h ep r o c e s so fn e w p r o d u c td e v e l o p m e n t ，t h i ss i m u l a t i o n c a np a r t l yr e p l a c ep r a c t i c a l i t ye x p e r i m e n t ，r e d u c e e x p e r i m e n t a lr i s k s ，a n dd e c r e a s ep r o d u c t i o nc o s t s a tp r e s e n tt h es t u d yo ft h et h em o l e c u l e sd i s t r i b u t i o np r o b l e m so fm o l e c u l a rf l o wi nt h e l o n gs t r a i g h tc y l i n d r i c a lp i p e l i n ei sn o tp e r f e c t t h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h ep r e v i o u sr e s e a r c h r e s u l t sa n df u r t h e rp e r f e c tt h em o l e c u l a rd i s t r i b u t i o nt h e o r yo fm o l e c u l a rf l o wa tt h eo u t l e to f t h el o n gs t r a i g h tc y l i n d r i c a lp i p e l i n e t h i sp a p e re s t a b l i s h e dt h e m o l e c u l ef i r s t f l i g h t v itf_ir m a t h 锄a t i c a lm o d e li nt h es t r a i g h tc y l i n d r i c a lp i p e l i n ea n ds o l v e d b e c a u s et h em a t h e m a t i c a l m o d e lc a nn o tc o m p l e t e l y e x p r e s st h em o l e c u l a rm o t i o nl a w , w eu s e dm o n t ec a r l om e t h o d p r o g r a mt os o l v et h ep r o b l e m sw h i c ht h em a t h e m a t i c a lm o d e lc a l l n o ts o l v e t h ep r o g r a m r e s u l t sm a t c h e dv e r yw e l lw i t ht h ef i r s tf l i g h tm a t h e m a t i c a lm o d e lr e s u l t s ，t h a ti st os a yt h e p r o g r a mw ec o m p i l e di sc o r r e c ta n dc r e d i b l e t h ep r o g r a mm a d e c l a s s i f i e dd i s c u s s i o no nt h e g a sm o l e c u l e sw h i c hp a s st h r o u g ht h el o n gs t r a i g h tc y l i n d r i c a lp i p e l i n e ，a n dc o m p a r e dt h e c o n t r i b u t i o nd e g r e et ot h eb e a m i n ge f f e c to ft h em o l e c u l e sd i r e c t l yp a s s e dt h r o u g ht h el o n g s t r a i g h tc y l i n d r i c a lp i p e l i n ew i t hp o s t c o l l i s i o n a l i n d i r e c tp a s s e dt h r o u g ht h el o n gs t r a i g h t c y l i n d r i c a lp i p e l i n e t h i sa r t i c l ea l s op u tf o r w a r d t h ec o n c e p t i o no f t h ee v a l u a t i o np a r a m e t e r s o fa n g l eb e a m i n ge f f e c t ，a n dp e r f e c t e dt h et h e o r yo ft h eb e a m i n ge f f e c t e v a l u a t i o n p a r a m e t e r s t h em a t h e m a t i c a lm o d e lr e s u l t sa n dt h em o n t e c a r l os i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t i t h ec l a s s i c a lb e a m i n ge f f e c tt h e o r e t i c a lm o d e le x i s t i n ge r r o r k e y w o r d s ：f l o wo fr a r e f i e dg a s - t h el o n gs t r a i g h tc y l i n d r i c a lp i p e l i n e m o n t ec a r l o m v i ， 。一、_0 i j1111 11，一11111 ( ，璺 ；螽 矗 、于 、 i j ， 、i 一 ， 东北大学硕士学位论丈目录 目录 独创性声明i 摘要i i i a b s t r a c t v 第l 章绪论：1 1 1 两个重要问题概述1 1 1 1 长直圆管道快速抽真空问题l 1 1 2 分子流态下长直圆管道出口处分子的分布规律问题3 1 2 两个问题研究的现状4 1 2 1 真空状态下的气体流动5 1 2 2 真空吸附技术理论研究的现状。8 1 2 3 分子流态下长直圆管道出口处分子的分布规律问题的研究9 1 3f l u e n t 软件简介l0 1 3 1f l u e n t 软件组成10 1 3 2f l u e n t 软件的边界条件介绍1 1 1 4 课题研究的意义1 2 1 4 1 存在问题1 2 1 4 2 研究意义1 3 1 5 本课题的研究思路、方法、内容及创新点1 3 1 5 1 思路及方法1 3 1 5 2 研究内容1 4 1 5 3 课题创新点1 4 第2 章长直圆管道的快速抽真空问题1 5 2 1 长直圆管道快速抽真空问题的产生1 5 2 2 建立数学模型与求解1 6 2 2 1 工件上升时间t ，的计算一1 6 2 2 2 真空度响应时间t ，的计算1 8 2 3 使用f l u e n t 模拟的可行性2 0 2 3 1 找出合适的边界条件2 1 v i i 东北大学硕士学位论文 目录 2 3 2 边界条件的选择2 4 2 4 长直圆管道快速抽真空问题的模拟计算2 7 2 4 1 模拟计算过程2 7 2 4 2 影响模拟结果因素的分析2 8 2 5 本章小结3 2 第3 章分子流态下直圆管道出口处分子的分布规律问题3 3 3 1 直接穿过管道分子数学模型的建立3 3 3 1 1 分子流态下分子穿越直圆管道第一次碰撞的计算3 4 3 1 2 直接穿越管道的位置分布计算数学模型3 6 3 1 3 直接穿越分子飞出射方向的讨论3 7 3 2 用蒙特卡洛法模拟分子在直圆管道内的飞行特性3 8 3 2 1 蒙特卡洛法模拟的假设与算法3 9 3 2 2 程序流程4 5 3 2 3 模拟结果及分析4 6 3 2 4 数学模型计算结果与模拟结果的比较5 5 3 3 本章小结5 7 第4 章结论5 9 4 1 结论一5 9 4 2 展望6 0 参考文献6 l 致谢6 5 攻读硕士学位期间发表的论文6 7 附录：v b 程序源代码6 9 ，t 争 _ 东北大学硕士学位论丈 第1 章绪论 1 1 两个重要问题概述 第1 章绪论 长直圆管道内的气体流动问题是真空抽气理论中最基本的问题，对于它的研究最 早，研究内容也最多，其理论也最为成剥1 ，2 1 。但是在一些特定的场合流动的细节研究还 不够。本章重点描述这两个由实际问题引发我们注意的长直圆管道内的两个研究内容。 第一个问题是长直圆管道抽真空时的快速响应问题，第二个问题是分子流态下穿过长直 圆管道的分子位置分布以及角度分布的规律问题。 1 1 1 长直圆管道快速抽真空问题 长直圆管道抽真空时的真空响应问题来源于对真空搬运机器人( 手) 的研究。真空 搬运机械手广泛应用于电子工业，汽车工业等行业生产工序的物料搬运作业中。物料的 快速搬运是工厂实现自动化高速化的一个重要制约因素。当计算机刚刚兴起的时候，制 约实现工厂生产自动化的瓶颈是机械的自动控制及其软件开发，现在随着对工业自动化 控制的研究的不断深入和控制软件不断创新，工业自动化技术已经发展到了非常成熟的 地步。这样系统硬件反过来又制约了工厂的生产效率。所以说实现机械的高速运动是提 高生产效率的重要方法之一，高效率的物料搬运定会使生产事半功倍。 物料搬运系统分为很多种类，常见的有自动搬运小车系统( a g v ) ，液压夹持系统， 气压工作系统，自动输送线系统等。真空搬运系统是种新兴的技术，也可将其归入到 气压工作系统中，但是从某些角度来讲有不同于气压工作系统。随着电子工业的高速发 展现代化的电子零部件生产需要更为严格和环境标准，在这一领域真空搬运技术得到了 广泛的应用。真空搬运系统的包括真空吸吊系统和真空吸附系统，真空吸吊系统发展的 比较早技术也比较成熟，但是应用范围受到限制。真空吸附系统特点明显，应用广泛， 但是对其原理的研究还不深入。 真空吸吊技术很早就在发达国家中得到广泛应用，而且在理论和技术上获得迅速的 发展。该系统的关键是真空发生器。我国在吸收消化国外产品的基础上，已研制出该项 产品，广泛应用于汽车、彩电、空调器、冰箱、建材及冶金等工业。尤其从9 0 年代开 始在汽车工业上应用甚多。真空吸吊元件一般包括：真空发生器、电磁阀、气阀、真空 东北大学硕士学位论丈 第1 章绪论 开关、真空排气清洁器、真空过滤器、消音器、吸盘、真空破坏器、气路板( 分歧管) 、 蓄能器( 蓄气器) 、节流阀、单向阀、快放阀、真空表等【3 4 】。这其中，喷射流的速度对 真空发生起决定作用。喷口直径、喇叭口小端直径，扩散室的形状、尺寸等都会使真空 发生产生不同的变化。对于真空吸吊原理的研究比较深入，响应时间等问题也得到了解 决，比如田玲在气动组合台真空吸附机械手系统设计一文中介绍了吸力和吸着响应 时间的设计计算，以及元件选用等问题。真空吸附所具有的一系列特点，是其它各种方法 所不能完全具备的。尤其是在工业产品加工过程中，起着极为重要的作用。 真空吸附技术是一项非常易于掌握的搬运技术，真空吸附技术也是一项非常可靠的 机械辅助技术。利用真空理论进行调节、控制和监控，可以有效地提高工件、零部件在 自动化、半自动化和手动工作状态下的包装、运输效率。真空吸附具有清洁无污染，吸 附平稳，定位可靠，不损坏被吸附物件表面等优点，所以真空吸附可以作为机械加工的 一种重要手段。可对任何具有较光滑表面的物体，特别是非铁、非金属且不适合夹取的 物体，如薄而表面光滑的铜金属制品，铝金属制品，纸张，玻璃，塑料及胶合板等非金 属制品的搬运和移动都是非常适用的。所以，在实际生产应用当中，许多工件以真空压 力为动力源，借助于各种真空设备，实现提升、输送、装卡等工作的。利用真空技术制 成的真空吸盘是一种高效率、无污染、定位精度高和经济可靠的装配工具，尤其是在生 产成品的装配、包装和装箱工序中更是如此【5 6 j 。 真空吸附系统有两种结构形式，一种是利用压缩空气通过真空发生器产生负压。它 的原理十分简单。压缩空气高速向排气口喷出，形成喷射流。由于喷口部流速最大，因 而喷口附近压强最小，这样就对吸气口产生空吸作用。这时，封闭吸气口，腔随真空度 就会迅速上升，达到一定真空。真空发生器的具体工作过程读者可参考相关的文献，这 里就不再具体讲述。 5 图1 1 真空吸附系统简图 f i g1 1t h e s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ev a c u u ma d s o r p t i o ns y s t e m 真空吸附系统也可以由真空系统产生真空通过一定长度的管道，在辅以必要的辅助 设备组成。这种真空吸附装置系统如图1 1 所示。真空吸附系统连接在机械手( 人) 上。 - 2 - 东北大学硕士学位论丈 第l 章绪论 手臂未端连接的吸盘1 为工作部分，在距离吸盘定距离的管道上安装有换向阀门2 。 这个阀门负责改变真空管路、吸盘、大气之问的开关。阀门2 通过一段管道连接到储气 罐上，储气罐与真空系统相连。真空系统与储气罐配合使用，使管道内的空气及时向外 扩散，以便使工作吸盘尽快达到工作所需压强。 上面讲的真空泵是用各种方法在某封闭空问中产生、改善和维持真空的装置。真 空泵可以定义为：利用机械、物理、化学或物理化学的方法对被抽容器进行抽气而获得 真空的器件或设备【7 】。按真空泵的工作原理，真空泵可以分为两种类型，即气体传输泵 和气体捕集泵。由于真空应用部门所涉及的工作压力的范围很宽，因此任何一种类型的 真空泵都不可能完全适用于所有的工作压力范围，只能根据不同的工作要求，使用不同 类型的真空泵。为了使用方便和各种真空工艺过程的需要，有时将各种真空泵按其性能 要求组合起来，以机组型式应用。随着真空泵及其周边产业的不断发展，真空泵式的真 空吸附逐渐成为主流。随着真空搬运技术的不断改进发展，在物料的搬运与传送过程中 扮演着非常重要的角色，相信真空搬运技术将在i t 工业生产中应用的更加广泛【8 】。 为了更清楚地表述真空吸附系统的工作原理，我们定义从大气压达到工作压力的时 间为“真空度的响应时间”。通过前面的介绍我们会发现，换向阀2 与工作吸盘1 之间 的距离直接影响真空度响应时间。l 与2 之间的距离越短这段管道的流导越大流阻越小。 但是对于轻小物件搬运机械手来说由于其结构受限，很难将换向阀2 紧挨着工作吸盘1 放置。即使空间满足条件，换向阀产生的干扰气流也会影响工件的拾取。另一方面真空 管道直径对真空度响应时问也有很大影响，直径过小会使管路流导减小，流阻增加，响 应时间会明显增加。如果管路直径过大，工作吸盘l 与换向阀2 之间的气体负荷增加， 真空响应时间反而增加。综合考虑肯定会存在一个合适的管路直径，对于不同的系统结 构会有一个不同的最优管路直径和管路系统结构。 1 1 2 分子流态下长直圆管道出口处分子的分布规律问题 长直圆管道内分子流态下气体分子的运动状态一直是人们关心的话题。在分子流状 态下，气体分子在管道中，管道出口、管道入口的分布状态直是束流效应研究的重点 9 - 1 3 。高真空设备，超高真空镀膜、分子束外延技术等对真空度要求非常高的应用设备 设计时都要考虑分子流动状态对工艺的影响。因此对分子流进行深入、透彻的研究是十 分必要的。人们对分子流下管道传输几率和分子流的束流效应问题做了大量的研究。 对于分子流态下长直圆管道的研究是从传输几率开始的。目前，人们对分子流态下 气体分子穿越各种结构形势管道的传输几率研究较多，也较为深入。例如，1 9 3 1 年， - 3 - 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 c l a u s i n g 在k n u d s e n 、s m o l u c h o w s k i 和d u s h m a n 研究的基础上，修正了他们的公式，用 解析的方法精确地得出了圆柱形短管和圆柱形长管的传输几率公式【1 4 ，l5 1 。p i n gf a n 详细 阐述了，气体通过矩形截面和环形截面管道的传输几率1 1 6 】，环形截面管传输几率公式也 同样适用于最为常见的圆形截面管，并且p i n gf a n 总结的公式适用于整个压力范围。通 常人们把管道的入口视作薄壁孔，对管道入口的传输几率的研究也就可视为对薄壁孔的 传输几率的研究，b p b u t l e r 通过积分方程求解析解的方法讨论了特殊形状的薄壁孔在 分子流下的传输几率【1 7 - 2 4 。 长直圆管道内的分子呈现分子流态后，用传输几率描述分子通过管道的状态，虽然 传输几率的研究已经是非常成熟了，但是传输几率仅能描述分子通过管道的几率，不能 够描述分子在管道中、入口、出口处的分布规律，这些分布规律对超高真空应用设备有 很大影响。比如超高真空镀膜，分子束外延等真空应用技术都要考虑分子流动状态影响。 最先发现分子流太下长直圆管道内分子分布规律的是分子发射时的角度分布规律。即气 体分子穿越出口和发回入口的角度分布有一定的特殊规律，这打破了传统的均匀入射、 余弦发射的假设【2 5 。2 8 】。在高真空获得的过程中，抽高真空的低温泵的冷面是根据管道出 口气体余弦发射设计的。束流效应的提出为低温泵冷面的设计提供了新的也是更加合理 的依据。另外，分子束外延技术在过去也是依据分子出离管道按余弦发射进行研究的， 束流效应也打破了过去的理论基础。但是模型假设是在入口中心处飞入，对入口规律进 行了一系列的简化【2 9 。3 2 1 ，当然这种模型存在一定的局限性。对于角度束流效应的分析也 不完善，出口截面处不同位置的角度束流效应如何，把截面划分为数个圆环后各个圆环 上的角度束流效应如何，各个环于截面相比较结果怎样也没有进一步考察。然后又发现 了“位置束流效应 ，研究了出口处位置分布的不均匀性问题，但是没有涉及到返回入 口处分子分布规律问题。 1 2 两个问题研究的现状 长直圆管道抽真空的响应问题是随着生产技术进步而产生的，对他的理论研究没有 跟上生产实际，在实际操作中多以经验指导代替了理论指导。这是因为经验与实际理论 指导产生的误差在可以接受的范围内，但是对于这个问题的研究却是非常必要的。长直 圆管道内分子流态下分子位置分布不均匀现象虽然早有人研究过，但是假设条件不具有 代表性，经典的束流效应理论在入口处做了一系列的假设，这样建立的模型局限性太多， 所以不能充分体现出束流效应所有的现象。包括束流效应在内的分子通过直圆管道的分 布状况，有很多问题没有得到充分说明。 4 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 2 1 真空状态下的气体流动 真空状态下的气体流动问题，实质上属于气体分子运动论中输运过程的粘滞性问 题。由于它在真空技术中的特殊地位，因此需要详细的讨论。根据流量和时间位置关系 又可分为稳念流，准稳念流和非稳态流三种情况【1 1 。 对于流动的基本状态需要进行判断，由于气体沿着管道流动受到内摩擦和加速度的 影响这样不同速度不同压强就产生了不同的流动状态。可分为三种流态：湍流；粘滞流； 分子流。由于各个流态之间不是有固定界限而是有一个过渡的区间，所以有存在湍一粘 滞流，粘滞一分子流状态。 判断湍流和粘滞流的判断是依据雷诺数。当气体压强和流速较高速流动呈不稳定状 态。其特征是流线不仅沿着管轴方向，而且出现垂直与管轴方向的横向移动，形成无规 则的漩涡，漩涡时隐时现，交替“猝发 与“间歇”。这种无秩序的流动可定要多消耗 能量，大大地增n t 气流的摩擦阻力，这种流动叫做湍流【3 3 】。 如果压强和流速逐步降低，流动特征就会变成气流的各部分具有不同速度的流动层 结过程，流线平行于管轴，只是在管道的不规则处稍许弯曲，这时湍流就变成了粘滞流。 理论计算和实验都证明，湍流和粘滞流之间的过渡不仅和压强、流速有关，而且和管道 直径及气体的粘滞性有关。1 8 8 3 年雷诺( r e y n o l d s ) 首先定量地给出了这个过渡关系， 为了几年他在这一领域中的贡献因此称为雷诺数沿用至今。 雷诺数是流体加速度所做的功对于摩擦功的比值。加速度产生的功可以写成： ! 胁2 等量万( 鱼) z t p 甜z (11)222 l、， 而摩擦功按照流体力学的观点可以写成 r t u ( n a ) z ( 1 2 ) 式中u 为气体相对与器壁的流速，d 为管子直径，为管子长度，p 为气体密度，m 为管子中气体的总质量，刁为内摩擦系数。以上二式相比得到雷诺数的定义式 r ：争万( 要) 2 l p u 2 r t u ( n d ) t ( 1 3 ) 如果不考虑上式的常数系数，则有 r 。= 业 ( 1 4 ) 刁 或者 - 5 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 代入刁= 三p 而，站v8 掣r t ，还可以写成 耻3 一罱要 5 ， 以上二式中的d 为管道直径( 厘米) ，p 为气体密度( 克厘米3 ) ，r 为内摩擦系数 ( 克厘米秒) ，2 - 为平均自由程( 厘米) ，为分子量( 克克分子) ，r 为普适气体常 数( 尔格克分子k ) ，t 为绝对温度( k ) ，u 为流速( 厘米秒) 。 无论是湍流还是粘滞流状态，管道中的气体流速u 总是在管轴处最大，管壁附近最 小，所以实际上流速沿管子截面有一个径向速度分布。对于湍流这个分布是 p! 舻 1 2 2 0 0 为湍流； r e r e 1 2 0 0 为湍一粘滞流( 此时流动状态不稳，时而是湍流，时而是粘滞流) 由于测量气体流速u 比较困难，可以把式( 1 4 ) 进一步变换如下：根据理想气体的 状态方程有p y ：丝尺丁所以 6 一 东北大学硕士学位论丈 第1 章绪论 p = 胪r t ( 1 8 ) 通过单位面积的气体流速 “= s 万( 要) 2 ( 1 9 ) 式中s 为体积流速( 厘米3 秒) 。将式子q ：坐! 里代入上式得 d f ：竺(-10)u 1u = 3 = l p 稚 将( 1 8 ) ( 1 9 ) 代入到( 1 4 ) 得 r e ：生垒( 1 1 1 ) z c r t r d 对于2 5 的空气，上式为 r e ：1 1 2 3 5 _ q( 1 1 2 ) d 式中q 为流量( 托升秒) ，d 为管道直径( 厘米) ，因此对于2 5 ( 2 的空气，判断 条件可改写为 q 2 0 0 d 为湍流， q 1 0 0 d 为粘滞流 1 0 0 d q 2 0 0 d 为湍一粘滞流 在真空技术中湍流仅仅发生在初抽泵与大气压强附近工作时( 或者当系统突然破裂 时) 。除了特别大的系统外，一般湍流持续的时自j 都很短，所以很少考虑这种状态。 粘滞流和分子流及它们的判据是克努森数。可把气体流分成平行于管轴的不同速度 的层，与管壁相接触的气流速度为零，沿着管轴的气流速度最大，各流层之间相对滑动。 因此，粘滞流状态只有在气体分子的平均自由程远小于管道截面的线性尺寸的情况下才 能出现。 当气体压强进一步降低，气体分子的平均自由程万大于管道截面的线性尺寸d 时， 气体分子之间的碰撞可以忽略，这时气体分子与管壁之间的碰撞占主要地位。在这种情 况下气体分子之间的内摩擦作用消失，分子靠热运动自由而独立地直线前进，只发生与 管壁碰撞而飞过管道。这种流动称作分子流。 根据上述道理，粘滞流和分子流之间的过渡与万d 有关，因此万d 可作为判别这 两种流动形势的判据，称为克努森数。克努森数也是一个无量纲数，从实际观察可知： 万d l 为分子流 0 0 1 2 一d 、 = 1 0 0 o o o 5 0 0 图2 1 3k 值与出口速度关系图2 f i g 2 1 3t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nkv a l u ea n d t h ee x i ts p e e df i g u r e2 为了进一步研究出容器形状和抽速以及f ( t ) 之间的关系，做了系列的模拟。首先做 了管道直径一定出口直径改变的一系列模型的模拟。模拟过程如下： 在前处理软件g a m b i t 中建立模型，单位为c m 。建立1 6 个不同抽口直径的模 型。其中选s o l v e r 为f l u e n t 5 6 。定义边界类型并划分网格，采用m a p 型网格和六面 体形网格，然后检查网格质量。气体入口设为p r e s s u r ei n l e t ，出口设为p r e s s u r eo u t ，其它边 界都设为w a l l 。从g a m b i t 中输出m s h 格式文件并将其读入f l u e n t 中。在f l u e n t 中再次检查网格。计算模型选为湍流模型然后设定出口边界条件为1 0 1 3 2 5 p a ，入口 边界条件为1 0 1 3 2 5p a 。初始化流场作为非稳态计算的初始值，这时将计算改为非稳态， 将入口边界条件由p r e s s u r ei n l e t 改为w a l l ，导入u d f 程序。将出1 2 1 条件设为根据u d f 2 5 6 4 2 l 8 6 4 2 0 1 1 1 o o o 0 o o 0 0 o o o 东北大学硕士学位论丈 第2 章长直圆管道的快速抽真空问题 变化。设时间步长为0 0 1s ，计算1 0 0 步。u d f 使用的f ( t ) 函数为1 一t 。监视出口处 的速度变化规律，压力变化规律。以c a s 和d a t 格式分别保存模型和计算结果。用 f l u e n t 和t e c p l o t 软件分别对计算结果进行后处理。得到曲线如图2 1 4 所示 6 5 m 14 、 k = 3 o 口 刁2 1 0 l o1 2l t1 61 8 2 02 22 2 6z 83 0 ：，z3 嘎3 63 8 辱o d i a m e t e r c m 图2 1 4 相同容积不同出口时的出口速度变化曲线 f i g 2 1 4 t h e $ o m l ev o l u m eo f e x p o r t so f d i f f e r e n te x i tv e l o c i t yc u r v e 由图可以看出当出口较小的时候，出口速度比较小。这是因为这时的出口处流阻比 较大，当出口逐渐增大后出口速度先增大后减小，但是由于出口面积逐渐增大，所以实 际的体积流量未必是这个规律。 1 2 1 0 毫8 _ 至 6 。 4 2 lz3456y8 9l ul l l z1 3 1 4 v e l o c i t y c m 图2 1 5 不同长度管路的出口速度曲线 f i g 2 1 5 d i f f e r e n tl e n g t ho f t h ee x p o r tp i p e l i n es p e e dc u r v e 首先做了管道直径一定出e l 直径改变的一系列模型的模拟。模拟过程如下：在前 处理软件g a m b i t 中建立数个等出口直径的模型，单位为l n l 。其中选s o l v e r 为 f l u e n t 5 6 。定义边界类型并划分网格，采用m a p 型网格和六面体形网格，然后检查网 格质量。气体入口设为p r e s s u r ei n l e t ，出口设为p r e s s u r eo u t ，其它边界都设为w a l l 。从 g a m b i t 中输出m s h 格式文件并将其读入f l u e n t 中。在f l u e n t 中再次检查网格。 计算模型选为湍流模型然后设定出口边界条件为1 0 1 3 2 5p a ，入口边界条件为 1 0 1 3 2 5 p a 。初始化流场作为非稳态计算的初始值，这时将计算改为非稳态，将入口边 界条件由p r e s s u r ei n l e t 改为w a l l ，导入u d f 程序。将出口条件设为根据u d f 变化。设 2 6 - 东北大学硕士学位论丈第2 章长直圆管道的快速抽真空问题 时间步长为0 0 1s ，计算1 0 0 步。u d f 使用的( f ) 函数为l t 监视出口处的速度变化 规律，压力变化规律。以c o s 和d a t 格式分别保存模型和计算结果。用f l u e n t 和 t e c p l o t 软件分别对计算结果进行后处理。得到曲线如图2 1 5 所示 2 4 长直圆管道快