微型機(jī)械制冷機(jī)污染傳輸機(jī)理的研究論文

《微型機(jī)械制冷機(jī)污染傳輸機(jī)理的研究論文》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。

1、微型機(jī)械制冷機(jī)污染傳輸機(jī)理的研究論文楊寶玉府華吳亦農(nóng)摘要：污染是影響微型機(jī)械制冷機(jī)運(yùn)行壽命的一個(gè)關(guān)鍵因素，為實(shí)現(xiàn)污染控制技術(shù)的系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化需要深入研究污染氣體在機(jī)械制冷機(jī)內(nèi)的傳輸機(jī)理。采用直接模擬蒙特卡羅(DSMC)方法對(duì)制冷機(jī)內(nèi)污染氣體的傳質(zhì)過程進(jìn)行理論仿真，設(shè)計(jì)編寫軟件程序計(jì)算了分子流狀態(tài)下污染氣體分子通過制冷機(jī)內(nèi)復(fù)雜管路的傳輸幾率，計(jì)算得到關(guān)鍵管道的傳輸幾率小于3%，最后設(shè)計(jì)、搭建污染傳輸實(shí)驗(yàn)臺(tái),.freel）的間隙密封和內(nèi)徑只有幾毫米的中間連管，其余部分對(duì)傳輸?shù)挠绊懣梢院雎?。污染氣體在氦氣工質(zhì)中的分壓很小，而且水蒸氣分子在間隙密封的環(huán)形通道

2、里克努曾數(shù)（Kn）遠(yuǎn)大于10，也可以用分子流理論來進(jìn)行仿真建模，計(jì)算傳輸特性。2.2采用直接模擬蒙特卡羅（DSMC）方法對(duì)污染傳輸過程進(jìn)行理論建模對(duì)于分子流范疇下氣體的求解，有分析方法和數(shù)值方法兩大類4。分析方法計(jì)算比較困難，而且對(duì)于環(huán)狀管路很難得出精確解析解。采用直接模擬蒙特卡羅(DSMC)方法是比較合適的，它是一種基于概率統(tǒng)計(jì)的數(shù)值方法，通過計(jì)算機(jī)來追蹤每個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)。由于DSMC物理模擬的本質(zhì)，相比其他方法可以引入更真實(shí)更復(fù)雜的物理模型，特別是對(duì)間隙密封等復(fù)雜管道內(nèi)氣體傳輸特性的計(jì)算。引入傳輸幾率——無規(guī)律的進(jìn)入導(dǎo)管入口的分子通過出口的幾率5，

3、只與管道的幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)。分子流狀態(tài)下傳輸幾率與管道的分子流率有下面的關(guān)系式：(1)式中：——入口處的分子流率；——入口處氣體分子密度；——分子熱運(yùn)動(dòng)的平均速度；——入口孔的面積。用DSMC方法來計(jì)算的基本步驟為構(gòu)造貝努利模型、定義隨機(jī)變量、通過模擬獲得子樣、統(tǒng)計(jì)計(jì)算。圖2是圓管中DSMC計(jì)算的基本流程。如圖所示，首先在計(jì)算機(jī)中產(chǎn)生一系列隨機(jī)數(shù)生成有效粒子，然后跟蹤每個(gè)粒子與管壁的碰撞情況，通過比較粒子到碰撞壁面的距離、直接返回入口的距離、通過出口的距離的大小來決定是否繼續(xù)跟蹤。通過對(duì)大量粒子的跟蹤進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，得到傳輸幾率。環(huán)形管路由于涉及到更復(fù)雜的

4、幾何結(jié)構(gòu)，粒子的反射、碰撞公式、計(jì)算流程要更復(fù)雜。2.3傳輸幾率的計(jì)算用DSMC方法編程計(jì)算了制冷機(jī)內(nèi)一些關(guān)鍵管路的傳輸幾率，表1是半徑1.2mm、長(zhǎng)100mm的中間連管傳輸幾率的計(jì)算值；表2是內(nèi)徑15.98mm、外徑16mm、長(zhǎng)度16mm的間隙密封環(huán)狀管路的傳輸幾率計(jì)算值。計(jì)算值隨追蹤粒子的樣本數(shù)增多而逐漸收斂，一般取樣本數(shù)超過一萬時(shí)，計(jì)算值就比較穩(wěn)定了。圖2圓管中的DSMC計(jì)算流程簡(jiǎn)圖表1按不同樣本數(shù)得到的中間連管傳輸幾率樣本數(shù)5000200004000060000傳輸幾率2.84%2.98%2.9925%2.9919%表2按不同樣本數(shù)得到的間隙

5、密封傳輸幾率樣本數(shù)1000300050001000020000傳輸幾率1.7%2.2%2.3%2.37%2.33%為了制冷機(jī)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，計(jì)算比較了不同尺寸結(jié)構(gòu)管路的傳輸幾率，下面圖3是對(duì)不同長(zhǎng)度L(mm)、不同內(nèi)外徑比值（r/R）環(huán)路的傳輸幾率比較（外徑設(shè)為16mm，改變內(nèi)徑以改變內(nèi)外徑的比值）。由圖5可知，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，間隙越小，傳輸幾率越小，而且間隙變化對(duì)傳輸幾率的影響比長(zhǎng)度的影響要大一些。根據(jù)此規(guī)律可以在設(shè)計(jì)的時(shí)候?qū)χ评錂C(jī)尺寸進(jìn)行優(yōu)化。為了證明圓管結(jié)構(gòu)DSMC計(jì)算模型的有效性，用DSMC方法計(jì)算了不同半徑R和長(zhǎng)度L的圓管傳輸幾率，并與理論解析解和相

6、關(guān)資料的實(shí)驗(yàn)值6進(jìn)行了表3所示的比較，發(fā)現(xiàn)三者吻合的比較好。對(duì)于圓環(huán)管路的傳輸幾率，用解析法很難得到，而且也未見到相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。需要設(shè)計(jì)、搭建傳輸實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行分析研究。圖3不同結(jié)構(gòu)尺寸圓環(huán)DSMC計(jì)算結(jié)果比較表3不同方法得到的圓管傳輸幾率比較L/RDSMC值解析解實(shí)驗(yàn)值167.11%67.20%69.5%251.56%51.36%52.3%435.78%35.89%36.9%3制冷機(jī)污染傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)研究3.1污染傳輸實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想為了進(jìn)行具體實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證傳輸幾率的理論計(jì)算，根據(jù)流導(dǎo)的推算方法將傳輸幾率與容器真空度的變化聯(lián)系起來。分子流導(dǎo)定義為：其分子流率

7、與管的兩截面或孔的兩側(cè)的平均分子數(shù)密度差之比，有兩種方法進(jìn)行計(jì)算：方法一：根據(jù)流導(dǎo)、流率的定義有：（2）式中：——分子流率；——入口與出口平均分子數(shù)密度之差。根據(jù)真空度的變化可以得出分子流率的公式：（3）（4）式中：——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(Pa)；——入口腔內(nèi)氣體真空度的降率(Pa/s)；——入口腔的體積(m3)；——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1mol氣體體積(m3/mol)。由式（2）、（3）、（4）可得：（5）方法二：引入傳輸幾率的概念，分子流導(dǎo)可以表述為7：（6）式中：——入口處的分子流率；——入口與出口平均分子數(shù)密度之差；——入口處氣體分子密度(mol/m3)；——

8、分子熱運(yùn)動(dòng)的平均速度(m/s)；——入口孔的面積(m2)；（7）（8）由式（6）、（7）、（8）可得：（9）