Газовые потоки в геометрически сложных криовакуумных системах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.03, кандидат технических наук Васильева, Татьяна Сергеевна

• Васильева, Татьяна Сергеевна
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Васильева, Татьяна Сергеевна

Условные обозначения.

4 Введение.

1. Общие положения.

1.1. Тенденции изменения подходов к проектированию вакуумного оборудования и систем на его основе.

1.2. Комплексный подход для анализа вакуумных систем. ф 2. Обзор методов расчета характеристик вакуумных систем.

2.1. Методы расчета проводимости в молекулярном режиме.

2.2. Методы расчета проводимости в вязкостном режиме.

2.3. Методы расчета проводимости в переходном (молекулярпо-вязкостном) режиме течения

2.3.1. Аналитические методы расчета параметров вакуумных систем в переходном режиме течения.

2.3.2. Решение задач газовой динамики с использованием кинетического уравнения Больцмана.

2.3.3. Метод Монте-Карло и его вариации.

2.4. Некоторые примеры расчета с использованием различных методов.

2.5. Области использования методов молекулярной газовой динамики.

2.6. Вывод. ф 3. Методы экспериментальных исследований характеристик вакуумных систем.

3.1. Методы определения значения потока газа.

3.1.1. Метод накопления.

3.1.2. Метод накопления с перепускапием газа в калиброванный объем.

3.1.3. Метод накопления газа с анализом динамики измерения давления во времени.

3.1.4. Метод калиброванного сопротивления и двух манометрических датчиков.

3.1.5. Метод двух калиброванных сопротивлений и одного манометрического датчика.

3.1.6. Метод эквивалентного потока.

3.1.7. Метод суммирования потоков.

3.2. Методы измерения значения давления газа.

3.2.1. Тепловые вакуумметры.

3.2.2. Электронные ионизационные вакуумметры.

3.2.3. Магнитные газоразрядные вакуумметры.

3.2.4. Емкостные высокоточные датчики давления.'.

3.3. Выводы.

4. Экспериментальные исследования характеристик вакуумных систем.

4.1. Типовая экспериментальная установка для измерения характеристик вакуумного оборудования.

4.2. Описание созданной экспериментальной установки и сценария измерений.

4.3. Пример анализа экспериментальных данных.

4.4. Результаты экспериментов и их обсуждение.

4.5. Выводы.

5. Программный комплекс для автоматизации процессов проектирования и модернизации вакуумного оборудования.

5.1. Анализ вакуумных характеристик систем.

5.1.1. Расчет вакуумных характеристик системы.

5.1.2. Нахождение оптимальных конструкций вакуумных систем.

5.1.3. Модернизация программного комплекса.

5.1.4. Экспресс-анализ вакуумной системы.

5.2. Автоматизированная система анализа тепловых характеристик вакуумной системы.

5.3. Проектировочные расчеты вакуумной арматуры и соединительных элементов вакуумных систем с помощью предложенного комплекса.

5.3.1. Расчет проводимости сложного трубопровода.

5.3.2. Примеры расчета проводимости.

5.3.3. Выводы.

5.4. Анализ сложного вакуумного оборудования с помощью предложенного программного комплекса.

6. Примеры использования предлагаемых подходов в задачах проектирования и модернизации сложных вакуумных систем.'.

6.1. Оптимизация вакуумного оборудования.

6.1.1. Вакуумные ловушки.

6.1.2. Крионасосы.

6.1.3. Вывод.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Газовые потоки в геометрически сложных криовакуумных системах»

Вместе с активным развитием вакуумного оборудования и постоянным расширением областей его использования современные наука и технология предъявляют новые требования к процессам разработки и эксплуатации вакуумных систем, связанные прежде всего со снижением затрат, унификацией и универсализацией этих процессов с целью дальнейшего распространения па новые рынки и развития уже завоеванных позиций.

Это выражается, прежде всего, в стремлении производителей вакуумного оборудования разрабатывать максимально универсальные решения, с целыо минимизации издержек на их адаптацию для конкретной области или сегмента рынка. Например, разрабатывая крионасосы для нужд микроэлектронной промышленности, производители стараются заложить в их конструкцию максимально возможный потенциал, который позволит использовать эти крионасосы и в ряде других областей без существенной модернизации. Путем простого масштабирования те же самые конструкции с успехом используются в термоядерной энергетике, напотехнологических процессах, установках физики твердого тела, системах имитации космического пространства и т.д. При этом технологический процесс изготовления этого вакуумного оборудования, как и концепция его эксплуатации пе меняются. Таким образом достигается существенное снижение затрат на разработку и дальнейшую адаптацию вакуумных систем для той или иной области -фактически разрабатывается одно универсальное решение, которое потом модифицируется в соответствии с требованиями того или иного приложения.

Используя традиционные подходы к разработке и проектированию оборудования, выливающиеся зачастую в последовательные экспериментальные исследования различных предлагаемых решений, затруднительно добиться существенного снижения потребления технологических и экономических ресурсов. Это ведет к активному развитию альтернативных подходов проектио-конструкторской работы - прежде всего, к повышению значения проектировочных расчетов и численных экспериментов, что позволяет с одной стороны уменьшить время разработки решения, а с другой - снизить затраты на исчерпывающие натурные экспериментальные исследования на этапе проектирования, ограничившись лишь теми вариантами, которые показали лучшие результаты в ходе проектировочных расчетов. Другим аспектом, влияющим на существенное увеличение роли предварительных расчетов в проектировочном процессе, является, как правило, тесная интеграция вакуумных систем с другим оборудованием, в составе которого они работают. Для того чтобы провести экспериментальные исследования па этапе проектирования необходимо создать всю установку в целом, а не отдельно только вакуумную ее часть, а это в свою очередь недопустимо, как по экономическим, так и по технологическим причинам. Например, чтобы испытать систему вакуумной изоляции катушек тороидального поля термоядерного реактора, нужно собрать весь реактор. В такой ситуации также целесообразен выход на этап экспериментальных исследований с максимально разработанным вариантом конструкции, с тем, чтобы минимизировать дальнейшие доводки.

Еще одним фактором, также повышающим значение предварительного анализа вакуумной системы, является стремление производителей увеличить срок жизни выпускаемого продукта. Часто возникает ситуация, когда необходимо модернизировать удачную, но относительно старую конструкцию таким образом, чтобы ее характеристики оставались конкурентоспособными. Очевидно, что целями подобной модернизации кроме улучшения потребительских качеств являются и минимальные затраты на модификацию - как на этапе проектирования новой конструкции, так и в процессе ее производства. Таким образом, необходимо соблюсти баланс между максимальным увеличением производительности системы и минимальной ценой этого. Одним из более эффективных способов добиться такого баланса является активное использование проектировочных расчетов. Целями подобного анализа могут быть: получение предварительных данных о характеристиках агрегата; моделирование рабочих режимов для выявления наиболее ответственных частей проекта; оптимизация агрегата по заданным параметрам; сравнение нескольких конструкций и т. д.

Актуальность проблемы

Существующие подходы позволяют проводить анализ характеристик разреженного газа в сложных системах при свободномолекулярном режиме течения (относительное число межмолекулярных взаимодействий мало) и вязкостном режиме (течение газа определяется межмолекулярными взаимодействиями). Методики для анализа молекулярно-вязкостного (переходного) режима течения газа менее развиты и ограничиваются аналитическими подходами (как классическими [1], так и современными [2, 3]), использующими полуэмпирические зависимости, позволяющие рассчитывать лишь простые системы, или численными решениями [48], использование которых для анализа реальных вакуумных систем ограничивается вычислительными затруднениями.

Также необходимо отметить отсутствие сбалансированности и последовательности в применении экспериментальных средств при проектировании — зачастую разрабатываемые системы проектируются, опираясь только на экспериментальный материал, что существенно удорожает конечный продукт.

Кроме этого, многие из существующих подходов не являются универсальными в том смысле, что требуют зачастую сильной перестройки алгоритмов при изменении условий задачи (трансформация режимов течения во времени или и а протяжении системы, граничных или начальных условий). Универсальность алгоритмов расчета особенно актуальной становится в современных условиях все более расширяющегося спектра задач применеиия вакуума -папотехнологии, где требуется максимальный учет сложной геометрии реальной поверхности и протекающих на ней процессов; микроэлектроника, где также наряду со сложной геометрией присутствуют различные химические процессы, требующие определения сложных граничных условий; ускорительно-накопительные комплексы и термоядерная энергетика, где вместе с учетом сложной и масштабной структуры необходимо анализировать системы в существенно неравновесных и динамически изменяющихся условиях.

Подытоживая вышеизложенное, можно сформулировать основные аспекты, характеризующие актуальность разработки единой методики анализа сложных вакуумных систем: экономический - стремление производителей оборудования к снижению затрат, унификации и универсализации процессов разработки и эксплуатации вакуумных систем с целью дальнейшего распространения па новые рынки и развития уже завоеванных позиций; методологический - разрозненность, половинчатость, а зачастую и незавершенность имеющихся описаний методов анализа вакуумных систем, что наряду с наличием чисто практических трудностей в освоении разветвленных и довольно громоздких математических аппаратов этих методов, а также с отсутствием универсальной схемы исследования характеристик вакуумного оборудования обуславливают сложность их непосредственного использования для анализа конкретной вакуумной системы; технологический - необходимость развития таких идей и методов проектировочных расчетов сложных вакуумных систем, которые с одной стороны обладают максимально возможной степенью универсальности, то есть 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 вакуумной системы и обладают достаточным потенциалом с точки зрения их автоматизации и использования в технологическом процессе разработки и изготовления оборудования. Нужно отметить также, что важным звеном метода исследования является его комплексность, как с точки зрения анализа системы на разных уровнях детализации (от отдельных элементов до всей системы в целом), так и с точки зрения учета всего спектра технико-эксплуатационных и функциональных факторов, формирующих условия работы вакуумного оборудования.

Таким образом, не только разработка методики, позволяющей анализировать сложные системы, имеющие в своем составе структуры с разреженным газом, в идеальном случае, во всех диапазонах параметров газовой среды (неравновесные, нестационарные условия), но и реализация на ее основе универсальных и автоматизированных средств анализа является актуальной задачей, требующей инновационных решений.

Цель работы

Всесторонний анализ оборудования систем создания и поддержания вакуума, как с технико-экономических, так и с проектно-эксплуатационных позиций с целью выявления основных особенностей процессов разработки, проектирования, модернизации и эксплуатации.

Обзор и сравнительный анализ существующих подходов к проектированию и расчету вакуумного оборудования с учетом следующих факторов:

• структурно сложная конструкция;

• наличие множества распределенных источников и стоков газа;

• нестационарность и неравновесность протекающих процессов.

Обзор и сравнительный анализ методик экспериментальных исследований различных характеристик вакуумных систем и их элементов.

Разработка на основании проведенного анализа метода комплексного исследования вакуумных систем на этапе проектирования и/или модернизации, включающего методику предварительного анализа как системы в целом, так и ее отдельных элементов с учетом всех вышеуказанных технико-эксплуатационных факторов, экспериментальные исследования системы на разных уровнях детализации с целыо сравнения с результатами расчетов и при необходимости корректировки моделей расчетов.

Определение основных особенностей, необходимых для проведения высокоточных экспериментальных исследований и создание на этой основе установки для таких экспериментов.

Проведение прецизионных экспериментальных исследований характеристик вакуумных систем в различных условиях.

Иллюстрация предлагаемой методики на ряде актуальных задач вакуумной техники и технологии - определение проводимости сложного трубопровода, анализ характеристик крионасоса и системы на его основе, а также комплексный анализ и разработка на его основе улучшенных конструкций различного вакуумного оборудования.

Сведение совокупности всех алгоритмов и технологий в единый продукт - инструмент, позволяющий проектировщику в кратчайшие сроки проводить исчерпывающий анализ и на его основе разрабатывать более совершенные конструкции вакуумных систем без необходимости осваивать множество расчетных и экспериментальных методов исследований.

Научная новизна

Обобщены современные представления о применении разных методов для анализа различных параметров сложных вакуумных систем. Выявлены характерные типы задач, решенные этими методами, и определены, таким образом, основные области их использования для разных приложений.

Впервые разработана и реализована установка для проведения высокоточных экспериментальных исследований вакуумных систем и на основе известных методик для нее созданы методы определения характеристик разреженного газа.

Впервые проведены прецизионные (с погрешностью не более 5%) экспериментальные исследования характеристик длинного цилиндрического трубопровода. При этом формировались условия, при которых в разных частях системы реализовывались и изменялись во времени различные характеристики разреженного газа.

На базе метода статистических испытаний разработан ряд решений и дополнений, позволяющих проводить исследование характеристик потоков частиц в сложных вакуумных системах с учетом их структурной сложности, неравновесности, нестационарности протекающих процессов. Разработаны алгоритмы и па их основе впервые реализован программный комплекс, позволяющий с одной стороны использовать все предыдущие наработки в области анализа вакуумного оборудования статистическими методами [9], а с другой дополнить их следующими возможностями:

Различные алгоритмы, позволяющие автоматизировать предлагаемую методику для ее использования в актуальных задачах проектирования, а именно: о автоматическое формирование нескольких вариантов конфигурации системы по заданным пользователем критериям; о анализ тепловых характеристик системы и использование его результатов при исследовании параметров потоков частиц; о проведение исследований системы с различными уровнями детализации - как отдельных элементов, так и всей системы в целом.

При этом сохранена преемственность предыдущих разработок, позволяющих учитывать и анализировать:

• одновременное размещение в моделируемой структуре множественных распределенных источников и стоков газа различных типов;

• определение пространственных профилей намороженных слоев на элементах вакуумной системы;

• динамическое влияние роста намороженных слоев, количества накопленного сорбата и других локальных параметров на характеристики вакуумной системы;

• изменение скорости частицы в зависимости от параметров взаимодействия и свойств поверхности;

• моделирование процесса квазипостоянного напуска газа в анализируемую систему из произвольного числа источников различного типа.

С использованием разработанного программного комплекса, имеющего модульную расширяемую структуру, впервые были решены следующие практические и исследовательские задачи: анализ конструкции и улучшение вакуумных характеристик ловушки, используемой для ограничения потока масла в откачиваемый объем; определение тепловых параметров вакуумных ловушек, расчет теплопритоков и подбор холодильной машииы для улучшения эксплуатационных характеристик и снижения стоимости содержания.

Проанализированы методы расчета сложных трубопроводпых систем и даны рекомендации по их практическому использованию.

Автор защищает

Разработанные и адаптированные решения, которые легли в основу установки для высокоточных экспериментальных исследований характеристик вакуумных систем.

Основные принципы, структуру и конструкцию созданной экспериментальной установки для проведения высокоточных исследований (с точностью около 5 %) характеристик вакуумного оборудования.

Данные экспериментальных исследований характеристик элементов вакуумных систем. Тарировочные кривые, которые могут быть использоваиы для тестирования расчетных методов.

Результаты сравнительного анализа различных методов расчета сложных вакуумных систем и выявленные характерные особенности использования этих методов для разных приложений.

Реализацию разработанной системы алгоритмов в качестве единого комплекса программ, позволяющего проводить проектировщику исследование характеристик вакуумных систем без необходимости осваивать сложные и разветвленные методы анализа.

Результаты решения с помощью созданного программного комплекса ряда актуальных задач физики вакуума, вакуумной техники и технологии.

Практическая ценность

Предложенная система алгоритмов и реализация подхода к комплексному исследованию вакуумных систем на этапе проектирования и/или модернизации, включающая методику предварительного анализа как системы в целом, так и ее отдельных элементов с учетом всех влияющих па нее технико-эксплуатационных факторов, позволяют проводить всесторонний анализ широкого спектра современных сложных вакуумных систем.

Кроме того, полученные в ходе решения актуальных задач вакуумной пауки и техники наработки и рекомендации могут быть использованы при проектировании и модернизации вакуумного оборудования.

Предложенные алгоритмы и реализованный на их основе программный комплекс используются в учебном процессе па кафедре низких температур при чтении курса лекций «Расчет сложных вакуумных систем» и «Криовакуумная техника».

Элементы программного комплекса применяются при анализе сложного вакуумного оборудования в НИИ вакуумной техники им. С. А. Векшинского, ОАО «Вакууммаш» (Казань, Россия), ООО НТК «Криогенная техника» (Омск, Россия), а также в компаниях Polycold Systems Inc. (США) и ВОС Edwards (Великобритания).

Разработанный единый комплекс программ, рекомендованный к использованию Российским научно-техническим вакуумным обществом для разработчиков и проектировщиков вакуумной техники, позволяет в кратчайшие сроки и с достаточной достоверностью проводить анализ вакуумных систем произвольных конфигураций для предварительного определения их характеристик, анализа наиболее влиятельных на работоспособность системы параметров, с целью оптимизации их конструкций. Модульная конструкция программного комплекса позволяет практически неограниченно расширять его возможности путем простого дополнения и добавления средств, входящих в его состав.

Разработанная экспериментальная установка может использоваться для проведения высокоточных экспериментальных исследований вакуумного оборудования при проектировании и модернизации.

Достоверность полученных результатов

Достоверность полученных результатов расчетов подтверждается проведенным тестированием разработанных алгоритмов на большом количестве широко известных задач и сравнением с результатами экспериментальных исследований. Кроме этого, достоверность полученных экспериментальных результатов подтверждается наличием необходимых сертификатов соответствия.

Апробация работы

Основные положения работы обсуждались на седьмой, восьмой, девятой, десятой научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроиика, электротехника и энергетика» 2001, 2002, 2003, 2004 гг. (МЭИ, Москва), на девятой и десятой международных студенческих конференциях «Новые информационные технологии» 2001, 2002 гг. (Судак), на восьмой, девятой, десятой, одиннадцатой и двенадцатой научно-технических конференциях «Вакуумная наука и техника» 2001, 2002, 2003, 2004, 2005 гг. (Судак), на международных молодежных конференциях «Гагаринские чтения» 2001, 2003, 2004, 2005 гг. (МАТИ, Москва), на первой и второй российских студенческих научно-технических конференциях «Вакуумная техника и технология» 2003 и 2005 гг. (Казань), на итоговой иаучио-техиической конференции «Всероссийский конкурс на лучшие научные работы по естественным, техническим наукам (проекты в области высоких технологий) и инновационным научпо-образовательиым проектам» 2004 г. (Москва), па восьмой и девятой Научных сессиях МИФИ-2005 и 2006 (Москва), на шестой Международной научно-практической конференции «Современные информационные и электронные технологии» (Одесса, Украина), 2005.

По итогам участия в различных конкурсах за отдельные части работ автор поощрен медалью и тремя дипломами Министерства Образования РФ за лучшую научную студенческую работу, дипломом 2-й степени на девятой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», ценным подарком за второе место на десятой Международной молодежной конференции «Гагаринские чтения», дипломами 1-й и 2-й степени Российского научно-технического Вакуумного Общества на первой и второй российских студенческих научно-технических конференциях «Вакуумная техника и технология», по итогам 2002 и 2003 года стипендиями Правительства и Президента РФ.

Элементы работы используются в учебном процессе на кафедре низких температур МЭИ в курсах лекций «Расчет сложных вакуумных систем» и «Криовакуумная техника».

Части программного комплекса применяются при анализе сложных вакуумных систем в НИИ вакуумной техники им. С. А. Векшинского, а также в компаниях Polycold Systems Inc. (США) и ВОС Edwards (Великобритания).

Использование комплекса программ рекомендовано Российским вакуумным обществом для разработчиков и проектировщиков вакуумных систем.

Работа выполнялась на кафедре низких температур МЭИ и в лаборатории «Расчетов и дизайна» НИИ вакуумной техники им. С. А. Векшинского. Части работы выполнены совместно с ЦАГИ им. Н. Е. Жуковского.

Публикации

Материалы данной диссертационной работы изложены в 33 публикациях - 10 статьях и материалов в трудах конференций и 23 тезисах.

1. Общие положения

Вакуумная система - совокупность устройств для создания вакуума, приборов для вакуумных измерений, а так же сосудов и связывающих трубопроводов.

Под геометрически сложными вакуумными системами в данной работе понимаются вакуумные системы, состоящие из нескольких элементов, например, система откачки, состоящая из нескольких соединительных трубопроводов, в состав которых входят трубопроводы разного сечения, соединенные между собой переходниками, вакуумные затворы, гофры, вакуумные насосы и ловушки.

Элемент вакуумной системы - прибор, сборочная единица или деталь, предназначенные для выполнения определенных функций в вакуумной системе.

Под простым элементом вакуумной системы подразумевается цилиндрический трубопровод одинакового диаметра по всей длине и пе протяженный.

Под геометрически сложными элементами понимаются отдельные элементы вакуумной системы, состоящие из большого количества панелей или имеющие разветвленную внутреннюю структуру, например, вакуумный насос или ловушка.

Вакуумная установка - установка, состоящая из вакуумной системы и устройств, обеспечивающих ее действие.

При анализе вакуумного оборудования необходимо определять его интегральные и дифференциальные характеристики. Интегральные характеристики - это усредненные, общие для всей системы параметры. А дифференциальные - это распределенные характеристики. Основными интегральными характеристиками вакуумных систем являются проводимость, быстрота действия насосов, защитная способность ловушек. Основные дифференциальные характеристики вакуумных систем - распределение концентрации и давления на ее протяжении.

Часто при описании вакуумной системы используются следующие параметры:

Коэффициент прилипания - дифференциальная характеристика, определяющая вероятность длительного удержания поверхностью вакуумной системы упавшей на нее молекулы. Данный параметр часто используют при моделировании процессов в насосах поверхностного действия - конденсации и сорбции. Так коэффициент прилипания криопанели, равный единице означает, что все частицы после взаимодействия с пей удерживаются («прилипают»). И, наоборот, если коэффициент прилипания равен пулю, все частицы отражаются от поверхности.

Коэффициент проводимости - интегральная характеристика, определяющая среднюю для совокупности молекул вероятность пролета от входного до выходного сечения некой проводящей системы. При условиях диффузного отражения и состояния равновесия в системе коэффициент проводимости численно равен коэффициенту Клаузинга.

Коэффициент захвата - интегральная характеристика, определяющая среднюю для совокупности молекул вероятность быть поглощенными элементом вакуумной системы.

Принципиальной особенностью интегральных характеристик является универсальность даваемого ими описания элементов вакуумной системы. Кроме того, безразмерность и относительность этих параметров дает возможность использовать их для анализа практически любых вакуумных систем независимо от режима течения газа, степени сложности и равновесности вакуумной системы.

Заключение диссертации по теме «Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения», Васильева, Татьяна Сергеевна

7. Выводы по работе

Проведенный анализ современных представлений о применении разных методов для расчета различных параметров сложных вакуумных систем вместе с обзором текущих тенденций развития вакуумного оборудования позволили выявить характерные типы актуальных задач, решенных этими методами, и определить, таким образом, основные области их использования для разных приложений. Показано, что использование современных численных методов для решения реальных задач проектирования вакуумных систем затруднено в первую очередь из-за вычислительных сложностей, связанных с необходимостью больших затрат вычислительных ресурсов, а так же из-за необходимости переработки алгоритмов расчета для повой конфигурации, что делает маловозможпым реализацию на базе этих методик систем автоматизированного проектирования, позволяющих получать результаты за ограниченное время. Применение аналитических подходов так же ограничено, т.к. они или построены в расчете па простые системы (трубопровод, зазор, и т. п.), или требуют для анализа большое число известных исходных данных, что пс позволяет использовать их в проектировочных задачах. Кроме того, проведенные исследования существующих экспериментальных методик определения характеристик вакуумного оборудования позволили определить наиболее универсальные и точные.

В результате предложен метод комплексного исследования вакуумных систем на этапе проектирования и/или модернизации, включающий методику предварительного анализа как системы в целом, так и ее отдельных элементов с учетом всех технико-эксплуатационных факторов, влияющих на ее работу, экспериментальные исследования системы на разных уровнях детализации с целью сравнения с результатами расчетов и при необходимости корректировки моделей расчетов.

Разработана и реализована установка для проведения высокоточных экспериментальных исследований проектируемой системы с учетом особенностей и характеристик, выявленных в результате проектировочных расчетов. На основе существующих экспериментальных методов определения характеристик вакуумных систем для этой установки были созданы и реализованы методы и алгоритмы, позволяющие исследовать параметры вакуумного оборудования с высокой точностью.

Проведена серия прецизионных экспериментальных исследований характеристик вакуумных систем в различных режимах течения разреженного газа - при этом, формировались такие условия в системе, когда в разных ее частях реализовывались и динамически менялись различные режимы течения. Относительная погрешность результата не более 5%. По результатам этих исследований показано, что в условиях больших перепадов давлений явление «парадокса

Кнудсепа» не наблюдается. Получены тарировочпые кривые, которые могут быть использованы для тестирования расчетных методов.

На базе метода статистических испытаний разработан ряд решений и дополнений, позволяющих проводить исследование характеристик потоков частиц в сложных вакуумных системах с учетом их структурной сложности, неравновесности, нестациопариости протекающих процессов. Разработаны алгоритмы, позволяющие автоматизировать предлагаемую методику для ее использования в актуальных задачах проектирования. На их основе реализован программный комплекс, в котором используются все предыдущие наработки в области анализа вакуумного оборудования статистическими методами, и дополненный следующими возможностями: о автоматическое формирование нескольких вариантов конфигурации системы по заданным пользователем критериям; о анализ тепловых характеристик системы и использование его результатов при исследовании параметров потоков частиц; о проведение исследований системы с различными уровнями детализации - как отдельных элементов, так и всей системы в целом; Тестирование алгоритмов, вошедших в программный комплекс, проведено на примере решения следующих задач: о Сравнение результатов расчета значения проводимости ловушки ЛП-250 с паспортными данными показало отклонение пе более 8%. о Сравнение результатов анализа характеристик крионасоса Marathon 16 с экспериментальными данными компании-производителя показало отклонение не более 12%. о Сравнение результатов расчета проводимости длинного цилиндрического трубопровода с экспериментальными данными, полученными в проведеппом в рамках данной работы высокоточном эксперименте, показало отклонение пе более 6%. Это позволяет сделать вывод о пригодности разработанных и реализованных решеиий для анализа характеристик сложных вакуумных систем с учетом различных факторов, оказывающих влияние на их функционирование.

С использованием разработанного программного комплекса, имеющего модульную расширяемую структуру, были решены следующие практические и исследовательские задачи: • определение проводимости сложного трубопровода: о По результатам рассмотрения различных как традиционных, так и современных методик анализа характеристик сложных составных трубопроводов можно сказать, что самые широкие возможности имеются у методов, базирующихся па методе Монте-Карло, которые обладают высокой универсальностью и, хотя и не являются самыми простыми в использовании, позволяют создавать на своей основе программные продукты, дающие пользователю возможность всестороннего анализа характеристик сложных составных систем без изучения математического аппарата метода. Современные развитые аналитические подходы позволяют проводить анализ с меньшими затратами вычислительных ресурсов, однако требуют длительной предварительной подготовки и ограничиваются расчетом систем из компонентов с заранее известными характеристиками, что не дает возможности использовать их при проектировании и модернизации вакуумных систем, разработка на основе комплексного анализа улучшенных конструкций различного вакуумного оборудования: о На примере ловушки ЛП и крионасоса НВК были рассмотрены основные этапы комплексного подхода к улучшению характеристик вакуумного оборудования. Этот подход подразумевает всесторонний анализ параметров вакуумной системы и выработку по его результатам рекомендаций по возможности оптимизации ее конструкции. Больший эффект оптимизации достигается при использовании как тепловых, так и вакуумных характеристик системы. Проведенный анализ тепловых параметров ловушки ЛП позволил выработать рекомендации по характеристикам низкотемпературной системы охлаждения, которая увеличивает существенно эффективность ловушки. о Произведен расчет и дапы рекомендации по возможности улучшения конструкции крионасоса НВК. Для увеличения ресурса работы крионасоса при откачке плохо откачиваемых газов целесообразно уменьшить угол наклона конических панелей защитного. Это повлечет существенное уменьшение значения теплопритока излучением из теплой зоны. о Также был проведен анализ конструкции ловушки ЛП. Предложена наилучшая альтернативная конфигурация, разработанная при использовании низкотемпературной системы охлаждения, обеспечивающая максимальную проводимость по откачиваемому газу без ухудшения степени захвата паров масла при коэффициентах прилипания, близких к 1. При коэффициентах захвата масла на панелях ловушки, меньших, чем 1 можно использовать альтернативные конфигурации с углами наклона нижних панелей в 60° и 55,5°. Данные конструкции хоть и показывают худшие по отношению к оригинальной значения проводимости по откачиваемому газу, существенно превосходят ее по степени захвата паров масла в широком диапазоне коэффициентов прилипания.

Таким образом, на примере анализа ловушек, видно, что для получения лучших характеристик выгоднее уменьшать температуру панелей, чем изменять их конфигурацию. Однако, при одновременном понижении температуры и изменении геометрии панелей появляется еще больший эффект защиты. Именно совокупность этих методов рекомендуется для использования в некоторых технологических процессах, в которых совершенно недопустимо загрязнение откачиваемого объема.

Таким образом, на основе метода комплексного анализа геометрически сложных вакуумных систем, разработан единый универсальный продукт, позволяющий проводить исчерпывающие аналитические и экспериментальные исследования на этапе проектирования/модернизации в сжатые сроки без необходимости освоения и реализации множества расчетных и экспериментальных подходов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Васильева, Татьяна Сергеевна, 2006 год

1. Дэшмап С. Научные основы вакуумной техники.- М.: Мир, 1964. - 873 с.

2. Беляев JI. А. К расчету N компонентных вакуумных систем// Вакуумная техника и технология. - 2002. - Т. 12. - № 1. - С.31 - 44.

3. Беляев JI. А. К расчету N компонентных вакуумных систем. Вопросы освоения универсального уравнения вакуумной техники// Вакуумная техника и технология. - 2002. — Т. 12. -№ 4. - С.215 -224.

4. Крюков А. П. Элементы физической кинетики. М.: Изд-во МЭИ, 1999. - 38 с.

5. Аристов В. В., Черемисин Ф. Г. Прямое численное решение кинетического уравнения Болыдмапа. М.: ВЦ РАН, 1992. - 192 с.

6. Берд Г.А. Молекулярная газовая динамика-М.: Мир, 1981.-319 с.

7. Алексеев Б.В. Физические основы обобщенной болыдмановской кинетической теории газов // Успехи физических паук. 2000. - Т. 170. - № 6.- С. 649-679.

8. Бондаренко Ю.А., Башуров В.В., Янилкин Ю.В. Математические модели и численные методы для решения задач нестационарной газовой динамики. Обзор зарубежной литературы. М.: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2003.- № 88. - 53 с.

9. Нестеров С. Б., Ю. К. Васильев, А. В. Андросов. Расчет сложных вакуумных систем: Учебное пособие. -М.: Изд-во МЭИ, 2001. 180с.

10. Shunji Nishihira. The Present Status and Future of the Japanese Vacuum Equipment Market.// Seminar. AVEM Fall. 1999.

11. Ануфриева И. В., Васильев 10. К., Кеменов В. Н., Нестеров С. Б., Строгова Т. С. Современное состояние рынка безмасляных средств откачки.// Вакуумная техника и технология. 2003. - Т. 13. - №2. - С. 93-99.

12. Вакуумная техника: Справочник./ Под ред. Е.С. Фролова. -М.: Машиностроение, 1992.^180с.

13. O'Hanlon J. F. User's guide on vacuum technology.// Third Edition. USA, 2003.

14. Саксаганский Г. JI. Молекулярные потоки в сложных вакуумных структурах. М.: Атомиздат, 1980.-216с.

15. DeMarcus Е. С. //Union Carbide Corp. Report К-1302, Part 3 1957.

16. Holland L., Steckelmacher W. and Yarwood J. Vacuum Manual. London: E.& F. Spoon, 1974. -P. 26.

17. Шахов E.M. Метод исследования движений разреженного газа М.: Наука, 1974. - 208 с.

18. Davis D., Levenson L., Milleron N. // Le Vide. 1963. - V. 103. - pp. 42-54.

19. Davis D., Levenson L„ Milleron N. // J. of Appl. Phys. 1964. - V. 35. - №. 3. - pp. 529-532.f

20. Аристов В. В., Крюков А. П., Черемисин Ф. Г., Шишкова И. Н. Решение уравнения Больцмапа для плоского струйного течения с конденсацией па криопанели// Журнал вычислительной математики и математической физики. 1991. -Т.30. -№ 7. - С.1093-1099.

21. Саксаганский Г. Л. Физика и техника сверхвысокого вакуума. Сборник. — Л.: Машиностроение, 1968.ф 22. Глазков А. А., Малышев И. Ф., Саксаганский Г. Л. Вакуумные системы электрофизических установок. -М.: Атомиздат, 1975.

22. Кошмаров 10. А, Рыжов 10. А. Прикладная динамика разреженного газа. М.: Машиностроение, 1977. - 184 с.

23. Глазков A.A., Саксаганский Г. Л. Вакуум электрофизических установок и комплексов. М.: Энергоатомиздат, 1985.

24. Ершов Б. Д., Саксаганский Г. Л. Интегрально-кинетический метод анализа молекулярных потоков. // Журнал технической физики. 1977. - Вып. 7. - С. 12-22.

25. Нестеров С. Б., 10. К. Васильев, А. В. Андросов. Методы расчета вакуумных систем. М.: Изд-во МЭИ, 2004.-219 с.

26. Аристов В. В., Попов С. П., Черемисин Ф. Г., Шишкова И. Н. Численное решение уравнений Больцмана и Навье-Стокса для плоской струи, натекающей на охлаждаемую поверхность//Журнал вычислительной математики и математической физики. 1997. -№ 2. - С.239-242.

27. Крюков А.П., Левашов В.Ю, Шишкова И. И. Анализ течения разреженного газа через слой пористого тела на основе прямого численного решения численного уравнения Больцмана. //ИФЖ. 2001. - Т.74. - № 2. - С. 25-28.

28. Савельев А. Д., Баранов В. С., Суринов 10. А. //Тезисы доклада на III Всесоюзной конференции по физике и технике высокого вакуума. Л.: ЛОП НТО Приборпром, 1971. - С. 37.

29. Гуревич Л. С., Саксаганский Г. Л., Расчет сорбирующих систем методом алгебры лучистых потоков. Препринт А-0157.-Л.: НИИЭФА, 1972.

30. Щ 32. Галимов С. Р. // ИФЖ .- 1975. Т. 24 - № 6. - С. 1036.ф 33. Пономарева Л.В., Суринов Ю. А. Математическое моделирование лучистого теплообмена в теплотехнических устройствах. // Инженерно-физический журнал. 1979. - Т.38. - № 2. — С.261-270.

31. Рубцов В.В., Суринов Ю. А. О методах решения нелинейных задач радиационного теплообмена // Журнал вычислительной математики и математической физики. 1995. -Т.35.-№ 3. - с.427-444.

32. Отчет о научной работе. Сектор кинетической теории газов Вычислительного центра Российской Академии наук, 2002 http://www.ccas.ru/depart/mech/rus/ktg.html.

33. Davis D. A Monte-Carlo calculation of molecular flow rates through cylindrical elbow and pipes of other shapes. // J. of Appl. Phys. 1960. - V. 31 - №. 7. - pp. 1169-1176.

34. Davis D., Levcnson L., Milleron N. /Trans 7 AVS Nat. Vac Symp.-1960. Oxford: Pergamon Press, 1961.-pp. 372-377.

35. Крюков А. П., Левашов В. Ю., Шишкова И.Н. Переконденсация в газопылевой смеси.// Теплофизика высоких температур 2004. - Т.42. - №4.

36. De Marcus W. Knudsen flow through a channel with rough walls. // AEC Research and Dev. Report, K-1435. 1959, Oak Ridge, Tennessee, USA.

37. Stcckelmacher W. A review of the molecular flow conductance for systems of tubes and components and the measurement of pumping speed. // Vacuum. 1966. - V.6. - №. 11. - pp. 561584.

38. Розанов Л. П. // Журнал технической физики- 1973. Т. 3. - Вып. 4. - С. 873.

39. Розанов Л. Н. // Журнал технической физики 1973. - Т. 63. - № 6. - С. 1284-1289.

40. Розанов Л. Н. Вакуумные машины и установки. Л.: Машиностроение, 1975.

41. Розанов Л. Н.,. Щеиев В. В. Математическое моделирование течения газа в молекулярном режиме при равномерном угловом распределении молекул на входе. // Научно-технический сб. «Электронная техника»,серия 4. 1974. - Вып. 1. - С. 33-40.