氦制冷低溫真空系統的抽速和熱負荷的最佳化設計
影響大型氦制冷低溫真空系統抽速和熱負荷的主要結構參數相互制約, 需要通過蒙特卡洛方法進行最佳化設計。大型氦制冷低溫真空系統抽速可用下式計算
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計時,可以對影響抽速和氣體熱傳輸的不同結構參數進行模擬計算,找出最佳結構,從而達到最佳化設計的目的。在過去進行蒙特卡洛模擬計算時,對系統進行了以下簡化假設:
①計算時的流動狀態是分子流動,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境試驗設備容器的內表面;
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。
根據上述這些假設,國內外對大型氦制冷低溫真空系統進行了蒙特卡洛模擬計算,但是計算結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大的差距。根據我們的理論計算和其他單位研究成果,在大型空間環境試驗設備中, 當大型氦制冷低溫真空系統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%。此外還有由于假設空間環模設備和低溫真空系統都是無限長圓柱體, 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所引起的模型誤差和計算過程誤差。更為嚴重的是根據這些誤差較大的計算結果指導設計時, 忽略了具體結構的不同會對低溫抽氣系統帶來很大的差異和影響。因此使這些設計計算達不到最佳設計的目的。
在我們對實際大型空間環境試驗設備的大型氦制冷低溫真空系統的設計研究中注意到了上述這些問題。根據實際工程情況構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按照實際設備的結構, 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境試驗設備空載時和有大型試驗物品時對計算模型的誤差。根據試計算, 在空載時可假設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為0.6;
③比國外早期計算過程的計算分子數有較大增加, 并在分子碰撞次數等計算細節方面作進一步改進, 力圖更加接近實際,減少誤差;
④繼續保留分子碰撞及其反射均服從余弦定律等基本假設;
⑤在計算中考慮了低溫泵具體結構參數對流導幾率和輻射傳熱幾率的影響。
根據改進后的計算模型對大型空間環境試驗設備進行了最佳化設計計算。部分計算結果如表1所示。
表1 低溫泵蒙特卡洛最佳化設計部分計算數據
其它相關文章：
