喷嘴角度对水银扩散泵抽气性能影响的DSMC模拟研究

发布时间：2021-02-28 10:00

　　扩散泵由于其大抽速、连续稳态工作的优点,有望应用于未来聚变堆的偏滤器抽气系统中,以降低目前托卡马克装置中广泛采用的捕集式低温泵所带来的高氚存储量问题。由于氚相容性的限制,目前的商业油扩散泵无法直接应用于聚变堆中,水银将是理想的扩散泵工作介质。为了支持未来聚变堆偏滤器抽气系统的水银扩散泵设计,需要针对水银扩散泵开展设计优化研究。本文采用直接模拟蒙特卡洛方法,基于KT-150扩散泵结构,研究了喷嘴角度对水银扩散泵的抽气速度及水银返流率的影响。结果表明喷嘴角度为45°时能够达到最佳的抽气速度1.53m³/s,同时返流率没有显著提升。 

【文章来源】：真空. 2020,57(02)

【文章页数】：5 页

【部分图文】：

系统中粒子总数随时间步的变化

尽管在扩散泵早期的研究中，采用了水银作为工作介质[18-19]，在曾经进行氘氚聚变实验的TFTR(Tokamak Fusion Test Reactor）装置的设计过程中也曾考虑过采用水银扩散泵的可行性[10]，但目前商用扩散泵的优化主要是针对油工作介质进行。因此在面向聚变堆偏滤器抽气系统水银扩散泵设计优化研究的前期研究工作中，基于目前成熟的商用扩散泵结构进行优化及开展后续实验研究是合理的选择，本文中选择了典型的KT-150扩散泵。根据Lee等人[11]的工作，对多级扩散泵性能的分析可通过对各级分别进行模拟实现，本文主要关注的是水银扩散泵在正常工作条件下的抽气速度及水银返流率，因此通过对第一级的DSMC模拟能够给出合理的结果。KT-150扩散泵第一级结构参数如图1(a）所示，其中R0=95mm,R1=53mm,R2=15mm,R3=85mm,l=12.7mm,t=2.8mm,H=146mm，喷嘴角度α在模拟中取值范围为30°～60°，构建了如图1(b）的计算网格。考虑到扩散泵的轴对称结构，为了节约计算时间，选取1/18扇面进行建模。模拟中假定氢气为被抽气体，为了获得较为细致的流场分布，计算中所取网格尺寸最大值不超过4mm，满足网格尺寸小于λ/3的要求（计算中被抽气体压力约为0.1Pa，相应的气体平均自由程λ约为0.11m），网格数量为2880。扩散泵第一级的入口、出口以及喷嘴喉部为开放边界，每个模拟时间步Δt内进入的模拟分子数N由边界处的分子数密度n、温度T和宏观速度V决定：

水银蒸汽模拟分子分布；（b）氢气模拟分子分布

【参考文献】：
期刊论文
[1]计算流体力学在真空技术中的应用[J]. 王晓冬,吴虹阅,张光利,李赫,孙浩,董敬亮,TU Jiyuan.  真空. 2018(06)
[2]HL-2M内置式低温泵基于DSMC方法的抽速计算[J]. 李勇,张志军,邱银,卢勇,李强.  真空. 2016(05)
[3]直接模拟蒙特卡罗法及其在真空泵性能计算中的应用[J]. 于治明,巴德纯,杨乃恒.  真空. 2006(01)



本文编号：3055689