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(jì)
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(guò)蒙特卡洛方法進(jìn)行最佳化設(shè)計(jì)。大型氦制冷低溫真空系統(tǒng)抽速可用下式計(jì)算
通過(guò)屏蔽板的氣體分子傳輸幾率可由下式計(jì)算
通過(guò)屏蔽板導(dǎo)致的氣體分子熱傳輸幾率可由下式計(jì)算
使用蒙特卡洛方法進(jìn)行最佳化設(shè)計(jì)時(shí),可以對(duì)影響抽速和氣體熱傳輸?shù)牟煌Y(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算,找出最佳結(jié)構(gòu),從而達(dá)到最佳化設(shè)計(jì)的目的。在過(guò)去進(jìn)行蒙特卡洛模擬計(jì)算時(shí),對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了以下簡(jiǎn)化假設(shè):
①計(jì)算時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)是分子流動(dòng),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(dòng)在整個(gè)入口面積和計(jì)算空間上均勻分布的;
③分子進(jìn)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(diǎn)坐標(biāo)位于試驗(yàn)物體的外表面試驗(yàn)物體和容器及大型氦制冷低溫泵均為無(wú)限長(zhǎng)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(yàn)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(guó)內(nèi)外對(duì)大型氦制冷低溫真空系統(tǒng)進(jìn)行了蒙特卡洛模擬計(jì)算,但是計(jì)算結(jié)果卻與實(shí)際情況有較大的出入。
造成模擬計(jì)算與實(shí)際有較大偏差有計(jì)算模型誤差和計(jì)算過(guò)程誤差兩方面的原因。其中由于在建立計(jì)算模型時(shí)的一些假設(shè)與實(shí)際情況偏離較大,造成的模擬計(jì)算誤差是主要誤差來(lái)源。例如假設(shè)被跟蹤分子在計(jì)算空間上是均勻分布的情況與實(shí)際有相當(dāng)大的差距。根據(jù)我們的理論計(jì)算和其他單位研究成果,在大型空間環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備中, 當(dāng)大型氦制冷低溫真空系統(tǒng)工作時(shí)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(wú)限長(zhǎng)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(jì)算過(guò)程誤差。更為嚴(yán)重的是根據(jù)這些誤差較大的計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)設(shè)計(jì)時(shí), 忽略了具體結(jié)構(gòu)的不同會(huì)對(duì)低溫抽氣系統(tǒng)帶來(lái)很大的差異和影響。因此使這些設(shè)計(jì)計(jì)算達(dá)不到最佳設(shè)計(jì)的目的。
在我們對(duì)實(shí)際大型空間環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的大型氦制冷低溫真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究中注意到了上述這些問題。根據(jù)實(shí)際工程情況構(gòu)建了較為符合實(shí)際的計(jì)算模型。同時(shí)對(duì)計(jì)算過(guò)程中形成的計(jì)算誤差也進(jìn)行了研究和修訂。這些工作有以下幾方面的特點(diǎn):
①按照實(shí)際設(shè)備的結(jié)構(gòu), 建立計(jì)算模型。這是過(guò)去理論計(jì)算與實(shí)際相差較大的主要原因。并分別考慮大型空間環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備空載時(shí)和有大型試驗(yàn)物品時(shí)對(duì)計(jì)算模型的誤差。根據(jù)試計(jì)算, 在空載時(shí)可假設(shè)被跟蹤的分子在整個(gè)試驗(yàn)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?dú)夥肿釉?0K低溫表面的冷凝系數(shù)為0.6;
③比國(guó)外早期計(jì)算過(guò)程的計(jì)算分子數(shù)有較大增加, 并在分子碰撞次數(shù)等計(jì)算細(xì)節(jié)方面作進(jìn)一步改進(jìn), 力圖更加接近實(shí)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(jì)算中考慮了低溫泵具體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流導(dǎo)幾率和輻射傳熱幾率的影響。
根據(jù)改進(jìn)后的計(jì)算模型對(duì)大型空間環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了最佳化設(shè)計(jì)計(jì)算。部分計(jì)算結(jié)果如表1所示。
表1 低溫泵蒙特卡洛最佳化設(shè)計(jì)部分計(jì)算數(shù)據(jù)
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