авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Стохастическая мезо-модель стационарного процесса откачки вакуумных систем и их элементов в молекулярно-вязкостном режиме

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Печатников Юрий Михайлович

Стохастическая мезо-модель стационарного процесса откачки вакуумных систем и их элементов в молекулярно-вязкостном режиме

специальность: 05.04.06 - Вакуумная, компрессорная техника

и пневмосистемы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург -2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный

политехнический университет»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Розанов Л.Н.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Эндер Андрей Яковлевич

доктор технических наук, профессор Саксаганский Георгий Леонидович

доктор технических наук, профессор Измайлов Рудольф Александрович

Ведущая организация: НИИ ВТ им.С.А.Векшинского, 113105, г.Москва,Нагорный пр. д.7

Защита состоится «_9__»_июня_2009_г. в_16_часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.09 ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" по адресу: г. С.Петербург, Политехническая ул., д.29, Гоавное здание, а.________

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет"

Автореферат разослан «___»__________________2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета _____________________________ХрусталевБ.С.

Общая характеристика

Цель и актуальность диссертационной работы

Многие великие ученые внесли весомый вклад в развитие физико-математических методов расчета характеристик течения разреженного газа. Наиболее значительный вклад в развитие методов моделирования откачиваемого газа в молекулярно-вязкостном режиме внесли: М.Кнудсен, Present R.D., Pollard W.G., Демихов К.Е., Саксаганский Г.Л., Нестеров С.Б., Борисов С.Ф., Кеменов В.Н., Бурмистров А.В., Кузьмин В.В., Розанов Л.Н., Породнов Б.Т., Santeler D.J., DeMuth S.F., Watson J.S., Суэтин П.Е., Нусинзон Л.М., Неудачин И.Г., Калинин В.В., Панфилович К.Б., Никулин Н.К., Ершов Б.Е., Sharipov F., G. Scherer-Abreu, R. A. Abreu., В.К.Васильев, А.В.Андросов, Щенев В.В. и другие ученые.

В 2003г. в Испании и 2007г. в Швеции состоялись международные конференции по современным проблемам «Расчета и моделирования вакуумных систем (Vacuum Gas Dynamics)». На этих конференциях обсуждались сложность и актуальность разработки модели течения откачиваемого газа в элементах вакуумных систем (ЭВА) в молекулярно-вязкостном режиме. Вообще говоря, фундаментальная задача построения модели процесса откачки во всем диапазоне молекулярно-вязкостного режима имеет «давние корни». «Очень высокую» научную значимость и практическую ценность ее решения показали С.Дэшман, В.Гейнце, R.G.Livesey в своих учебниках и монографиях, посвященных научным основам и базовым понятиям вакуумной техники.

Отсутствие физически ясной имитационной модели течения откачиваемого газа в молекулярно-вязкостном режиме ставит под сомнение достоверность вычислительных методов, которые на них основаны. В связи с этим, в основном, проводится большой объем натурных экспериментов.



Недостаток существующих знаний о процессе откачки в молекулярно-вязкостном режиме оказывает существенное негативное влияние на развитие эффективных инженерных методов моделирования проводимости при среднем вакууме. Это вызывает необходимость развивать, в первую очередь, теоретическую базу моделирования процесса откачки в молекулярно-вязкостном режиме.

В настоящее время техника получения среднего вакуума приобретает все большее значение в связи с необходимостью развития нано-технологий, водородной энергетики, робототехники, спектрометрии, электронной техники, атмной техники и других отраслей промышленности. Расчет и моделирование проводимости вакуумных систем и их элементов (ЭВА) в зависимости от условий течения откачиваемого газа является фундаментом для развития вакуумной техники. Возможность достоверно рассчитать и оптимизировать параметры ЭВА позволяет разрабатывать средства откачки или элементы проточной части насосов на новых принципах, создавать более совершенные конструкции ЭВА.

Таким образом, научная задача построения модели молекулярно-вязкостного течения откачиваемого газа с целью развития эффективных методов расчета проводимости ЭВА актуальна, имеет существенную научную и практическую ценность.

Объектом научного исследования является процесс откачки в молекулярно-вязкостном режиме.

Предметом научного исследования является стохастическая мезо-модель процесса откачки в молекулярно-вязкостном режиме.

Основные научные проблемы и теоретические задачи исследования.

Цели диссертации предполагается достигнуть путем теоретического обобщения существующих знаний о процессе откачки и проводимости ЭВА в молекулярно-вязкостном режиме, и их расширения, изучая динамику процесса откачки, применяя анализ и имитационное моделирование течения откачиваемого газа.

Для построения модели процесса откачки в молекулярно-вязкостном режиме необхобимо решить следующие широко известные и научно значимые фундаментальные проблемы:

  • теоретически описать динамику процесса откачки и характер изменения проводимости вакуумных систем в молекулярно-вязкостном режиме;
  • согласовать модели расчета проводимости ЭВА в молекулярном и вязкостном режимах.

В диссертации решаются эти научные проблемы на базе представлений о молекулярном упорядоченном хаосе, всегда присутствующем на мезо-уровне в молекулярно-вязкостном потоке откачиваемого газа. Такое направление исследований вызывает необходимость решить следующие теоретические задачи:

1. Описать упорядоченные и хаотические процессы в молекулярно-вязкостном потоке откачиваемого газа.

2. Связать (содержательно и математически строго) между собой упорядоченную и хаотическую составляющие молекулярно-вязкостного потока откачиваемого газа.

3. Сформулировать(содержательно и математически строго) критерии упрорядоченности хаоса в потоке откачиваемого газа.

4. Увязать проводимость ЭВА, геометрические размеры ЭВА, средние характеристики потока откачиваемого газа на базе критериев упорядоченности хаоса.

5 Сформулировать закономерности, которые преобразовывают вязкостный поток откачиваемого газа в молекулярный.

Научное направление и методы исследования.

Процесс откачки в молекулярно-вязкостном режиме изучается на мезоскопическом уровне на базе представлений о молекулярном упорядоченном хаосе, всегда присутствующем на мезо-уровне в молекулярно-вязкостном потоке откачиваемого газа. В этом случае, динамика процесса откачки моделируется на базе физики открытых систем с диссипативной структурой. Стационарный газовый поток моделируется как «неравновесный броуновский» упорядоченно-хаотический процесс на базе принципов кинетической теории флуктуаций на мезоскопическом уровне представления в согласии с динамикой необратимых процессов и гипотезой молекулярного хаоса. Проводимость ЭВА вычисляется на базе статистики, описывающей упорядоченность хаоса в потоке откачиваемого газа. Новые явления в процессе откачки устанавливаются при взаимоувязке макро-параметров ЭВА, макро- и мезо-характеристик откачиваемого газа путем «совместного использования анализа и численного компьютерного моделирования».

Применялись методы теории хаоса и теории вероятности, методы статистики и подобия, методы оптимизации и принятия решений в условиях неопределенности.

Методология исследования требует последовательно выполнить следующие этапы:

  1. Построить мезо-модель динамики процесса откачки;
  2. Математически описать динамику процесса откачки ЭВА;
  3. Построить имитационную мезо-модель процесса откачки;
  4. Разработать и верифицировать вероятностный метод расчета проводимости ЭВА;
  5. Промоделировать и вычислить проводимость ЭВА различных форм и размеров во всем диапазоне молекулярно-вязкостного режима;
  6. Проанализировать во взаимосвязи и взаимоувязке макро-параметры ЭВА и средние характеристики (мезо-характеристики) ансамбля молекул откачиваемого газа.

Методология исследования предполагает, что данные по проводимости ЭВА использованы из прецизионных натурных измерений, а средние характерстики откачиваемого газа (мезо-характеристики) вычисляются при имитационном моделировании.

Теоретические положения и результаты, выносимые на защиту:

Следуя выбранному направлению исследований в диссертации теоретически описана динамика процесса откачки и характер изменения проводимости вакуумных систем при молекулярно-вязкостном режиме на базе кинетической теории флуктуаций и теории хаоса. В результате разработаны следующие теоретические положения:

1. Динамика течения откачиваемого газа в молекулярно-вязкостном режиме в ЭВА моделируется на мезо-уровне как упорядоченно-хаотический процесс с разной степенью упорядоченности хаоса, от полностью упорядоченного (ламинарного, вязкостного течения) до полного хаоса (молекулярного течения) (рис.4).

2. Эволюция ансамбля молекул откачиваемого газа представляется как последовательность (цепь следующих друг за другом) неравновесных стационарных состояний, каждое из которых имитируется как «неравновесный броуновский» процесс.

3. Проводимость ЭВА вычисляется на базе статистики, описывающей упорядоченность хаоса в потоке откачиваемого газа.

Из этих теоретических положений следует, что разная физическая сущность равновесного и неравновесного «перехода от порядка к хаосу», который формируется при переходе от вязкостного режима к молекулярному вводит существенные принципиальные ограничения на применение пространственно-однородного уравнения Больцмана (в том числе апроксимации Г.Берда) при математическом описании процесса откачки.

На базе вышеперечисленных теоретических положений:

  • сформулирован (содержательно и математически строго) критерий упрорядоченности хаоса в потоке откачиваемого газа при переходе от вязкостного режима к молекулярному, и наоборот.
  • описаны на мезо-уровне и связаны (содержательно и математически строго) между собой вязкостная (упорядоченно-хаотическая) и молекулярная (хаотическая) составляющие молекулярно-вязкостного режима в потоке откачиваемого газа;
  • сформулированы на базе «статистики мезо-уровня» (содержательно и математически строго) закономерности, моделирующие динамику процесса откачки от ламинарного (вязкостного) течения к хаосу молекулярного потока откачиваемого газа при плавной непрерывной смене чисел Кнудсена от 0,001 до 100;
  • взаимоувязаны (содержательно и математически строго) проводимость ЭВА, геометрические размеры ЭВА, средние характеристики потока откачиваемого газа на базе критерия упорядоченности хаоса.

В результате решена крупная фундаментальная задача: построена и верифицирована стохастическая мезо-модель процесса откачки в молекулярно-вязкостном режиме, которая включает:

1. Мезо-модель динамики процесса откачки в молекулярно-вязкостном режиме, в которой молекулярная и вязкостная составляющие молекулярно-вязкостного потока откачиваемого газа описаны и взаимоувязанны между собой на мезо-уровне в согласии с динамикой необратимых процессов и гипотезой молекулярного хаоса;

2. Описание процесса течения откачиваемого газа в ЭВА в молекулярно-вязкостном режиме на базе вероятностных понятий и «статистики мезо-уровня», которая отражает динамику постепенного преобразования ламинарного (упорядоченного) течения при вязкостном режиме в хаотичное при молекулярном режиме при увеличении чисел Кнудсена от 0,001 до 100;

3. Имитационную мезо-модель и методику имитационного моделирования «неравновесного броуновского» стационарного процесса течения откачиваемого газа и вычисление проводимости в молекулярно-вязкостном режиме на базе:

  • стохастических закономерностей при генерации элементарных случайных событий методом Монте-Карло;
  • «статистики мезо-уровня», отражающей упорядоченность хаоса в потоке откачиваемого газа во всем диапазоне молекулярно-вязкостного режима.

На базе построенной мезо-модели, примененяя анализ и численную компьютерную имитацию для «изучения динамики процесса откачки при молекулярно-вязкостном режиме»:





1. Решена крупная фундаментальная научная проблема: согласованы модели молекулярного и вязкостного режимов.

2. Сделаны крупные научные достижения:

  • установлено, что в процессе откачки возникают эффекты коллективного взаимодействия нейтральных молекул, вызывающие хаотические и упорядоченные процессы в потоке откачиваемого газа, протекающего через ЭВА;
  • установлена «статистика мезо-уровня», которая описывает изменение степени упорядоченности хаоса при постепенном преобразовании ламинарного течения при вязкостном режиме к хаосу случайного в молекулярном режиме;
  • установлены новые закономерности и явления, возникающие в процессе откачки в молекулярно-вязкостном режиме: теоретически установлено и объяснено явление «молекулярной сверхпроводимости», теоретически объяснены парадокс Кнудсена и другие «парадоксы поведения» проводимости ЭВА, наблюдаемые при натурных измерениях.

Научная новизна и научная ценность:

1. Содержит новое направление:

  • процесс откачки в молекулярно-вязкостном режиме изучается и моделируется на базе представлений о молекулярном упорядоченном хаосе, всегда присутствующем на мезо-уровне;
  • проводимость ЭВА в молекулярно-вязкостном режиме вычисляется на базе критериев упорядоченности хаоса в потоке откачиваемого газа;

2. Сформулированы содержательно и математически строго закономерности, моделирующие непрерывный переход от ламинарного (вязкостного) течения к хаосу молекулярного потока откачиваемого газа при смене критерия упорядоченности хаоса;

3. Математически описаны и связаны между собой упорядоченные и хаотические процессы в потоке откачиваемого газа в молекулярно-вязкостном режиме на базе вероятностных понятий и статистики мезо-уровня;

4. Сформулированы на базе «статистики мезо-уровня» (содержательно и математически строго) закономерности, моделирующие динамику процесса откачки от вязкостного течения к молекулярному потоку откачиваемого газа при плавной непрерывной смене чисел Кнудсена от 0,001 до 100;

5. Взаимоувязаны (содержательно и математически строго) проводимость ЭВА, геометрические размеры ЭВА, средние характеристики потока откачиваемого газа на базе критерия упорядоченности хаоса.

В результате расширены существующие теоретические представления о процессе откачки в молекулярно-вязкостном режиме:

1. Дано представление о процессе откачки в молекулярно-вязкостном режиме как о последовательности стационарных состояний потока откачиваемого газа с разной степенью упорядоченности физического хаоса (от полностью упорядоченного (ламинарного, вязкостного течения) до полного хаоса (молекулярного течения));

2. Дано представление о процессе откачки в молекулярно-вязкостном режиме, как о сложным нелинейным процессе в котором, направленное ламинарное (вязкостное) течение откачиваемого газа постепенно преобразуется, при изменении средних характеристик откачиваемого газа, в хаотическое (молекулярное) движение молекул, и в результате образуется хаотический (молекулярной) поток.

3. Представлена целостная модель течения откачиваемого газа в ЭВА и согласованы модели расчета проводимости ЭВА, основанные на представлениях кинетической теории о хаотическом блуждании молекул в молекулярном режиме и континуальной теории о ламинарном течении в вязкостном режиме в ЭВА.

В результате имитационного моделирования и анализа процесса откачки установлены новые закономерности и физические явления:

1. Установлено, при течении откачиваемого газа возникают эффекты коллективного взаимодействия молекул, из-за которых возникают хаотические и упорядоченные явления в молекулярно-вязкостном режиме, зависящие от степени вакуума и влияющие на проводимость ЭВА:

  • наглядно, показана, важная роль малых сил коллективных взаимодействий молекул откачиваемого газа и показана необходимость дополнительного учета этого воздействия при моделировании;
  • показано, что именно малые силы коллективных взаимодействий молекул оказывают значительное влияние на характер течения откачиваемого газа в ЭВА и вызывают «парадоксальные» изменения проводимости в ЭВА, наблюдаемые при натурных измерениях;

2. Установлена «статистика мезо-уровня», описывающая непрерывный переход от ламинарного течения при вязкостном режиме в хаотические блуждания при молекулярном;

3. Дано теоретическое объяснение такому явлению как «парадокс Кнудсена» и «поведению» проводимости коротких труб, наблюдаемому при натурных измерениях;

4. Установлено явление «молекулярной сверхпроводимости».

Отметим, теоретически обоснована эмпирическая зависимость М.Кнудсена для расчета проводимости круглого длинного трубопровода.

Достоверность и обоснованность научных результатов и выводов подтверждается:

  1. Логической увязкой результатов выполненного исследования с имеющимися результатами в смежных, молекулярной и вязкостной областях, согласованностью с существующими моделями в молекулярном и вязкостном режимах;
  2. Теоретической разработкой и обоснованием базовых положений на основе физики открытых систем и молекулярного переноса, кинетической теории, теории диффузии при применении математических методов теории хаоса и статистики;
  3. Согласованностью базовых положений с гипотезой молекулярного хаоса и с динамикой необратимых процессов,;
  4. Объяснением «парадоксов» проводимости ЭВА, наблюдаемых при натурных измерениях; совпадением результатов расчетов проводимости c публикуемыми данными прецизионных натурных измерений в пределах 15%.

Практическая ценность:

1. Появилась возможность расчетов как общей проводимости вакуумных систем, так и их элементов численным (вероятностным) методом в молекулярном и молекулярно-вязкостном режиме как единого целого, что позволяет избежать выполнения сложных, трудоемких и дорогостоящих натурных измерений на специальном оборудовании в том числе появилась возможность расчетов проводимости трубок малого размера (микро- и нано- трубок), в которых проведение натурных экспериментов невозможно и режим течения откачиваемого газа априори неизвестен, может быть как молекулярным, так и молекулярно-вязкостным;

2. Знание и представление конструктором зависимости проводимости ЭВА от условий течения откачиваемого газа определяет, в итоге, качество вакуумной техники, вакуумных систем технологических установок, вакуумных устройств, например ясен механизм молекулярной сверхпроводимости, который может быть использован для создания средств эффективной откачки в будущих термоядерных реакторах или течеискании.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.