ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Обзор методов расчета из "Методы расчета вакуумных систем" Выбор методики для анализа вакуумной системы определяется, с одной стороны, факторами, характеризующими эту вакуумную систему и условия ее функционирования, а с другой — условиями, накладывающимися на качество и достоверность результатов, которые планируется получить. [c.15] Существуют несколько уровней описания процессов, протекающих в разреженном газе, и ряд соответствующих им методов и подходов, в рамках которых реализуется замкнутая система понятий, описывающих состояние разреженного газа и интегральные характеристики вакуумных систем. [c.15] Существующие методы и подходы можно условно разделить на две основные части аналитические и численные. Под аналитическими методами подразумеваются так называемые традиционные подходы к анализу вакуумных систем, получившие развитие в первой половине прошлого века и базирующиеся на осредненных параметрах состояния разреженного газа и на связанной с этой предпосьшкой системе допущений. Модели аналитических методов относительно просты и пригодны для непосредственного использования проектировщиком. Под численными методами понимаются подходы, требующие большого объема вычислений, причем возможность применения этих методов зачастую напрямую связана с количеством вычислительных ресурсов. Развитию численных методов способствовало увеличение мощности и совершенствование вычислительной техники во второй половине прошлого века. Необходимо отметить, что численные методы зачастую являются комбинированными и при их применении активно используются известные аналитические соотношения для представления результата. [c.15] Далее рассмотрим основные имеющиеся подходы, которые наиболее широко применяются при анализе вакуумных систем, с точки зрения целесообразности и эффективности использования этих подходов в реальных актуальных задачах проектирования и оптимизации. [c.15] Классические аналитические методы. Одной из наиболее распространенных задач, встающих перед разработчиком вакуумных систем, является определение проводимости (сопротивления) трубопровода. Поиску корректных методов вычисления этих величин посвящена, пожалуй, большая часть публикаций по вакуумной технике. По-видимому, этот поиск дал решающий толчок серии классических исследований М. Кнудсена, М. Смолуховского и П. Клаузинга. Результаты этих и ряда других классических исследований широко известны, поэтому здесь остановимся лишь на основных этапах, наиболее полно характеризующих процесс формирования и развития различных теорий и воззрений на пути анализа вакуумных систем. [c.16] Данное соотношение, однако, не учитывает так называемый пучковый эффект , когда параметры газового потока на входе в каждую следующую часть формируются предыдущей частью и структура потока приобретает значительную продольную составляющую. В результате этого эффекта параметры потока на входе в каждую следующую часть существенно отличаются от условий диффузного напуска. [c.16] Вышеупомянутые подходы рассматривают задачу определения проводимости канала в стационарной постановке. Процесс нестационарной откачки некоторого объема с учетом зависимости проводимости патрубка от давления исследовал Г.А. Тягунов. Кроме того, он впервые описал влияние изменения температуры газа на процесс откачки и внес фундаментальный вклад в развитие классических подходов в приложении к сложным трубопроводам. [c.17] Другую теорию течения разреженного газа через канал предложил М. Кнудсен. Среди основных предпосылок его теории можно назвать следующие молекулярный поток на поверхность формируется и определяется параметрами газовой среды в рассматриваемом элементарном объеме поведение газа описывается в терминах механики сплошных сред при рассмотрении процессов взаимодействия молекулы со стенками не учитываются температура стенки (изотермическая система), возможность поглощения или миграции молекулы по поверхности. В рамках разработанной теории М. Кнудсеном бьши получены приближенные соотношения для расчета проводимости протяженного канала круглого сечения, позднее подтвержденные М. Смолуховским, который на основе подхода М. Кнудсена при более строгом рассмотрении процесса течения разреженного газа получил соотношения для расчета проводимости протяженного канала произвольного сечения. [c.17] Благодаря простому математическому аппарату теория М. Кнудсена нашла широкое применение в качестве базиса для развития аналитических подходов для анализа молекулярных течений. [c.17] Данный подход развивал также и С. Дэшман, однако П. Клаузинг дал коэффициенту пропорциональности кл ясное физическое толкование и вычислил его для труб круглого и прямоугольного сечений. В рамках теории П. Клаузинга стал ясно виден ряд принципиальных моментов поток через трубопровод не зависит от температуры его стенок, а зависит только от температуры газа на входе в трубопровод на поток через канал влияют лишь геометрические характеристики канала и параметры взаимодействия молекул со стенками — физическая модель рассеяния и характеристики поверхности с точки зрения возможности поглощения (захвата) молекул. [c.18] Как уже отмечалось, П. Клаузинг внес существенный вклад в чисто практическую область проведения вакуумных расчетов обосновал диффузный (косинусный) закон отражения молекул от стенки, получил соотношения для расчета проводимости канала произвольной длины и разных типов поперченного сечения, одним из первых применил законы молекулярного течения газов к расчету оптической задачи, а при расчете молекулярных потоков использовал законы оптики и др. [c.18] Методика П. Клаузинга получила широкое использование для расчетов проводимостей каналов, а заложенные в нее предпосылки позволили рассматривать этот подход в качестве начального этапа для развития единой универсальной методики для анализа сложных вакуумных систем. Подход П. Клаузинга для анализа вакуумных систем получил интенсивное развитие в работах Г.Л. Саксаганского [1], Ю.А. Рыжова, Ю.А. Кошмарова и др. [c.18] Развитие аналитических подходов в приложении к актуальным задачам вакуумной техники. Расширение области применения вакуумной техники ощутимо увеличило спектр актуальных задач, решение которых, с одной стороны, может быть найдено в рамках имеющихся классических подходов и воззрений, а с другой — требует существенного развития и совершенствования используемых при этом методов. Наиболее простым и очевидным выходом из ситуации, когда классические подходы формулируют необходимые предпосьш-ки, но не дают конкретных методик, применимых для расчета систем с усложняющейся геометрией или для решения новых возникающих задач, таких как определение профилей намороженного слоя конденсата и других, является развитие аналитических методов расчета. [c.18] Развитие и совершенствование аналитических методик для анализа вакуумных систем в приложении к задачам, отличным от расчета проводимости трубопроводов, происходило параллельно с возникновением необходимости формирования подходов, пригодных для проектирования вакуумных систем. Основными требованиями, предъявляемыми к подобным методам, были простота и прозрачность математических моделей, которые не вынуждают проектировщика длительно осваивать метод, а позволяют непосредственно использовать его для решения поставленной задачи и, при необходимости, самостоятельно развивать и совершенствовать. [c.19] Одно из решений данной проблемы предложил Д.В. Быков, разработавший простой и легко расширяемый и развиваемый аналитический метод, позволяющий проводить оценочные расчеты интегральных характеристик вакуумных систем, гораздо более сложных, чем трубопроводы. [c.19] Развитие аналитических методов анализа вакуумных систем шло не только в направлении углубления и усложнения постановки традиционных задач вакуумной техники, таких как определение интегральных характеристик вакуумных систем, но и в направлении расширения спектра решаемых задач. С развитием криовакуумной техники актуальным стало изучение структуры намораживаемого слоя конденсата. А.М. Макаров сформулировал метод, позволяющий определять структуру намороженного слоя сконденсированного газа на криопанелях для различных типов источников напуска газа и геометрических характеристик системы. Полученные им соотношения позволяют быстро и без использования сложного математического аппарата получать информацию о структуре накопленного слоя. [c.19] Различные аналитические методы продолжают развиваться, поскольку сочетают в себе простоту применения и необходимую для оценочных расчетов точность. [c.19] Метод угловых коэффициентов. Одним из наиболее детально развитых подходов, получивших широкое распространение в расчетах вакуумных систем и выделившихся в отдельную методику, является метод угловых коэффициентов или метод лучистой аналогии. [c.19] Метод угловых коэффициентов относительно прост в применении. Он позволяет проводить анализ структурно сложной системы с достаточно высокой степенью достоверности. Математический аппарат этого метода разработан настолько детально, что позволяет говорить об алгебре угловых коэффициентов ( поточной алгебре ) как о самостоятельном разделе общей теории теплообмена излучением. Большое число всевозможных таблиц, в которых приведены соотношения для определения угловых коэффициентов для множества комбинаций различных типов поверхностей, и широкие возможности для их расширения и дополнения послужили причиной распространения этого подхода в качестве одного из основных аналитических методов расчета вакуумных систем, применяемых в проектно-конструкторской практике. [c.20] Вернуться к основной статье