[发明专利]一种真空羽流实验系统液氦深冷低温泵吸附捕获面积计算方法

摘要

本发明提出一种真空羽流实验系统液氦深冷低温泵吸附捕获面积计算方法，基于真空羽流高效高精度数值模拟方法的全新的液氦深冷泵吸附捕获面积模型，解决了传统办法计算得出的冷板面积过大难题，实现了内置深冷泵氦板面积的精确计算。本发明对麦克斯韦热平衡理论中单位面积的理想抽速计算式进行修正，加入了宏观运动速度项，符合羽流高速喷流的客观运动规律；根据羽流流场相似性特征，提出了对液氦深冷泵冷板结构延轴线分段平均办法，避免了总抽速计算中的求积分计算的困难；本发明原理明晰，思路巧妙，面积计算准确性好，符合工程应用，避免了采用传统的设计方法得出的冷板面积过大导致的研制成本过高等风险，提高了真空羽流效应实验系统设计效率。

主权项

一种真空羽流实验系统液氦深冷低温泵吸附捕获面积计算方法，包括以下几个步骤：步骤一：基于深冷低温泵中氦板上气体宏观速度相似性的特点，对氦板空间结构沿轴向进行分段，分为a～e五个区，分别包括返流碰撞区a、返流碰撞区b、膨胀流碰撞区c、主流侧面碰撞区d和主流正面碰撞区e，氦板为圆柱形结构，两个圆形端面，分别为返流碰撞区a、主流正面碰撞区e，圆通形侧面分别为返流碰撞区b、膨胀流碰撞区c、主流侧面碰撞区d，其中，c区和b区长度为0.4L，d区长度为0.2L，L为氦板的轴向总长度，D为氦板的直径；步骤二：采用DSMC数值仿真方法，获取a～e各区内羽流气体宏观速度的平均值，并将平均后的羽流气体宏观速度作为常数处理，分别得到u0,a、u0,b、u0,c、u0,d、u0,e，其中：u0,a表示返流碰撞区羽流气体平均宏观速度，u0,b表示返流碰撞区羽流气体平均宏观速度，u0,c表示膨胀流碰撞羽流气体平均宏观速度，u0,d表示主流侧面碰撞区区羽流气体平均宏观速度，u0,e表示主流正面碰撞区羽流气体平均宏观速度；步骤三：通过给定的目标总抽速S，获得基于深冷低温泵的所需氦板面积，具体为：(1)、将麦克斯韦热平衡理论中单位面积的理想抽速计算式修正为：Sm=∫0∞ufMaxwell(u)du---(5)]]>其中u为分子速度，由宏观速度u0和微观热运动速度u'组成，即u＝u0+u'；Sm为单位面积理论最大气体抽速Sm、fMaxwell(u)为麦克斯韦速度分布函数；(2)、将u＝u0+u'带入上式(5)中，并对上式积分变换，得到符合羽流特性的单位面积理想抽速公式：Sm=∫-u0∞(u0+u′)fMaxwell(u′)du′=RT2π{exp(-s)+πs[1+erf(s)]}---(6)]]>式中，R为气体常数，T为气体温度，s为分子速度比：s=u0vm---(7)]]>vm为最可几热运动速度，定义为vm=2RT---(8)]]>erf(s)为误差函数，定义为：erf(s)=2π∫0sexp(-x2)dx---(9)]]>其中，x为自变量，表示分子速度比是个变量；(3)、利用公式(6)分别计算a‑e各区单位面积理想抽速Sm,a、Sm,b、Sm,c、Sm,d、Sm,e，得到深冷低温泵吸附捕获面积计算公式如下：Fb=SG(Sm,a+Sm,b+Sm,c+Sm,d+Sm,e)---(10).]]>