减压模拟设备迅速抽真空技术研究及实现

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京航空航天大学航空科学与工程学院 作者:高海朋

  为实现迅速抽真空,提出负压储备舱技术。结合流导方程和气体热力学理论,推导出舱体间气流平衡的数学方程式,揭示了气流平衡过程中,舱体间瞬时压差与起始状态压差、舱体容积成正比,与持续时间存在指数关系,与连接管路流导存有反比关系。基于流体微分方程和湍流模型建立非定常流场模型,对压力平衡过程进行动态仿真,从流场角度揭示了瞬时压力与时间的关系。为使负压储备舱实现技术要求,从气压和时间角度进行影响因素分析,研究表明,负压储备舱容积至少为70倍试验舱容积,且连通口面积须有可调性。通过模型结果与试验结果对比,验证了所建两种模型的正确性,也验证了试验装置的可行性。

  为研究迅速减压冲击物理过程对生理的影响,以及检验高空防护系统对迅速减压冲击的响应和防护性能,必须在地面进行该冲击物理过程的模拟试验,完成这种瞬态模拟试验所需的设备即为高空迅速减压冲击模拟设备。为实现试验研究,所设计的试验舱须满足技术指标:在0.5s内使舱压从低气压30kPa到中真空低气压2.5kPa。而该项技术指标使用真空泵直接抽低气压是无法实现的。为实现迅速抽低气压,实现技术指标要求,提出一种负压储备舱技术。试验舱体内充满气体,由于舱体物理参数的不同,如体积、压强等等,最终试验所能实现的技术指标也就不同。因此,需要分析这些参数带来的影响,进而设计这些参数。论文基于气体流导方程和气体状态方程,建立起试验舱体压力均衡过程的关系式,并对舱体间的压力差值与平衡时间以及与各舱体初始状态的关系进行了研究。基于流体微分方程和湍流模型建立起非定常流场模型,对两舱体压力平衡过程进行动态仿真,对两舱瞬时压差与平衡时间的关系进行了研究。为使负压储备舱能够实现技术指标要求,基于所建模型,从气压和平衡时间等角度进行参数影响分析,进而完成试验装置设计。最后对所得模型结果与试验结果进行对比分析。

1、舱压平衡关系式研究

  1.1、简化模型的建立

  试验舱体之间通过设计管道和阀门开关连通,试验进行时,开启连通管路的阀门开关,实现气流冲击。随着时间的推移,气体不断从高压强试验舱流向低压强负压储备舱,而且两舱体之间的压强差不断变小,最终达到两舱压平衡。

  当试验舱和负压储备舱内的气体初始物理参数确定时,需对两舱平衡过程所需平衡时间进行准确预测,这样才能预测该试验是否能实现技术指标要求。为此,应建立舱压平衡关系式来预测平衡时间。以下基于气体流导方程和气体状态方程,对舱体压力均衡过程的关系式进行推导。

  两舱体通过管道连通,连通示意图如图1所示,舱A和舱B的容积参数确定,两舱内部气体初始状态确定。假设两舱体温度值相等,且pA>pB。

两舱体连通示意图

图1 两舱体连通示意图

5、结论

  为实现迅速抽真空,提出负压储备舱技术。基于气流流导方程和气体状态方程,推导了舱体间压力平衡的关系式,推导出两舱体瞬态压强差与平衡持续时间存在指数关系,与舱体间连接管道流导存在反比关系,与舱体容积、舱内气体起始状态压强差存在正比关系。利用该公式可以计算出试验装置试验过程中压力平衡所持续的时间。基于流体微分方程和湍流模型建立非定常流场模型,对压力平衡过程进行动态仿真。通过非定常流场云图形象地显示了舱内压力流场分布,得出了舱压随时间变化的规律曲线。有限元结果可以看出负压储备舱对试验舱指标要求的实现程度。

  为使负压储备舱实现技术要求,从气压和时间角度进行影响因素分析,研究表明,负压储备舱容积至少为70倍试验舱容积,且连通口面积须有可调性。试验结果显示试验舱气流压力和平衡持续时间存在反比关系,随着气流平衡的进行,试验舱舱压由大变小,最终达到平衡稳定,验证了试验装置的可行性。

  所建模型结果与试验结果相比,试验结果出现了滞后现象,这是由设备原因造成的。因此,模型结果同试验结果基本吻合,说明建立的装置模型的正确性。利用数学关系式可以快速估算舱体间气流压力平衡所持续的时间,而有限元结果可以形象地反映平衡过程流场分布,两者结合可以为抽真空等相关装置的设计提供参考。

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