氦制冷低温真空系统的抽速和热负荷的最佳化设计
影响大型氦制冷低温真空系统抽速和热负荷的主要结构参数相互制约, 需要通过蒙特卡洛方法进行最佳化设计。大型氦制冷低温真空系统抽速可用下式计算
通过屏蔽板的气体分子传输几率可由下式计算
通过屏蔽板导致的气体分子热传输几率可由下式计算
使用蒙特卡洛方法进行最佳化设计时,可以对影响抽速和气体热传输的不同结构参数进行模拟计算,找出最佳结构,从而达到最佳化设计的目的。在过去进行蒙特卡洛模拟计算时,对系统进行了以下简化假设:
①计算时的流动状态是分子流动,即不考虑分子间的碰撞,仅考虑分子与容器壁和大型低温泵之间的碰撞;
②分子流流动在整个入口面积和计算空间上均匀分布的;
③分子进入固体角的概率和入口表面成正交角度的余弦成正比,与非抽气表面相碰撞的分子反射服从余弦定律;
④被跟踪分子的起点坐标位于试验物体的外表面试验物体和容器及大型氦制冷低温泵均为无限长圆柱体。低温泵的低温吸附表面均布于大型空间环境试验设备容器的内表面;
⑤被跟踪的气体分子一旦与20K的氦板冷凝面相碰, 立即被冷凝表面永久冻结。
根据上述这些假设,国内外对大型氦制冷低温真空系统进行了蒙特卡洛模拟计算,但是计算结果却与实际情况有较大的出入。
造成模拟计算与实际有较大偏差有计算模型误差和计算过程误差两方面的原因。其中由于在建立计算模型时的一些假设与实际情况偏离较大,造成的模拟计算误差是主要误差来源。例如假设被跟踪分子在计算空间上是均匀分布的情况与实际有相当大的差距。根据我们的理论计算和其他单位研究成果,在大型空间环境试验设备中, 当大型氦制冷低温真空系统工作时由于非均匀分布大抽速低温表面的存在所造成的分子流密度分布不均匀现象较为突出, 分子流密度的最大值和最小值之差有可能大于20%。此外还有由于假设空间环模设备和低温真空系统都是无限长圆柱体, 气体分子一旦与氦低温表面相碰撞即被低温吸附表面永久冷凝, 忽略容器表面出气的影响等其它假设所引起的模型误差和计算过程误差。更为严重的是根据这些误差较大的计算结果指导设计时, 忽略了具体结构的不同会对低温抽气系统带来很大的差异和影响。因此使这些设计计算达不到最佳设计的目的。
在我们对实际大型空间环境试验设备的大型氦制冷低温真空系统的设计研究中注意到了上述这些问题。根据实际工程情况构建了较为符合实际的计算模型。同时对计算过程中形成的计算误差也进行了研究和修订。这些工作有以下几方面的特点:
①按照实际设备的结构, 建立计算模型。这是过去理论计算与实际相差较大的主要原因。并分别考虑大型空间环境试验设备空载时和有大型试验物品时对计算模型的误差。根据试计算, 在空载时可假设被跟踪的分子在整个试验空间上是均匀分布的;
②考虑了气体分子与氦制冷低温泵低温表面碰撞后的冷凝吸附的效率。例如氮气分子在20K低温表面的冷凝系数为0.6;
③比国外早期计算过程的计算分子数有较大增加, 并在分子碰撞次数等计算细节方面作进一步改进, 力图更加接近实际,减少误差;
④继续保留分子碰撞及其反射均服从余弦定律等基本假设;
⑤在计算中考虑了低温泵具体结构参数对流导几率和辐射传热几率的影响。
根据改进后的计算模型对大型空间环境试验设备进行了最佳化设计计算。部分计算结果如表1所示。
表1 低温泵蒙特卡洛最佳化设计部分计算数据
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