微型机械制冷机污染传输机理的研究论文

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1、微型机械制冷机污染传输机理的研究论文杨宝玉府华吴亦农摘要：污染是影响微型机械制冷机运行寿命的一个关键因素，为实现污染控制技术的系统化、标准化需要深入研究污染气体在机械制冷机内的传输机理。采用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法对制冷机内污染气体的传质过程进行理论仿真，设计编写软件程序计算了分子流状态下污染气体分子通过制冷机内复杂管路的传输几率，计算得到关键管道的传输几率小于3%，最后设计、搭建污染传输实验台,.freel）的间隙密封和内径只有几毫米的中间连管，其余部分对传输的影响可以忽略。污染气体在氦气工质中的分压很小，而且水蒸气分子在间隙密封的环形通道

2、里克努曾数（Kn）远大于10，也可以用分子流理论来进行仿真建模，计算传输特性。2.2采用直接模拟蒙特卡罗（DSMC）方法对污染传输过程进行理论建模对于分子流范畴下气体的求解，有分析方法和数值方法两大类4。分析方法计算比较困难，而且对于环状管路很难得出精确解析解。采用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法是比较合适的，它是一种基于概率统计的数值方法，通过计算机来追踪每个粒子的运动。由于DSMC物理模拟的本质，相比其他方法可以引入更真实更复杂的物理模型，特别是对间隙密封等复杂管道内气体传输特性的计算。引入传输几率——无规律的进入导管入口的分子通过出口的几率5，

3、只与管道的几何结构有关。分子流状态下传输几率与管道的分子流率有下面的关系式：(1)式中：——入口处的分子流率；——入口处气体分子密度；——分子热运动的平均速度；——入口孔的面积。用DSMC方法来计算的基本步骤为构造贝努利模型、定义随机变量、通过模拟获得子样、统计计算。图2是圆管中DSMC计算的基本流程。如图所示，首先在计算机中产生一系列随机数生成有效粒子，然后跟踪每个粒子与管壁的碰撞情况，通过比较粒子到碰撞壁面的距离、直接返回入口的距离、通过出口的距离的大小来决定是否继续跟踪。通过对大量粒子的跟踪进行统计计算，得到传输几率。环形管路由于涉及到更复杂的

4、几何结构，粒子的反射、碰撞公式、计算流程要更复杂。2.3传输几率的计算用DSMC方法编程计算了制冷机内一些关键管路的传输几率，表1是半径1.2mm、长100mm的中间连管传输几率的计算值；表2是内径15.98mm、外径16mm、长度16mm的间隙密封环状管路的传输几率计算值。计算值随追踪粒子的样本数增多而逐渐收敛，一般取样本数超过一万时，计算值就比较稳定了。图2圆管中的DSMC计算流程简图表1按不同样本数得到的中间连管传输几率样本数5000200004000060000传输几率2.84%2.98%2.9925%2.9919%表2按不同样本数得到的间隙

5、密封传输几率样本数1000300050001000020000传输几率1.7%2.2%2.3%2.37%2.33%为了制冷机设计的优化，计算比较了不同尺寸结构管路的传输几率，下面图3是对不同长度L(mm)、不同内外径比值（r/R）环路的传输几率比较（外径设为16mm，改变内径以改变内外径的比值）。由图5可知，长度越长，间隙越小，传输几率越小，而且间隙变化对传输几率的影响比长度的影响要大一些。根据此规律可以在设计的时候对制冷机尺寸进行优化。为了证明圆管结构DSMC计算模型的有效性，用DSMC方法计算了不同半径R和长度L的圆管传输几率，并与理论解析解和相

6、关资料的实验值6进行了表3所示的比较，发现三者吻合的比较好。对于圆环管路的传输几率，用解析法很难得到，而且也未见到相关的实验数据。需要设计、搭建传输实验台进行分析研究。图3不同结构尺寸圆环DSMC计算结果比较表3不同方法得到的圆管传输几率比较L/RDSMC值解析解实验值167.11%67.20%69.5%251.56%51.36%52.3%435.78%35.89%36.9%3制冷机污染传输的实验研究3.1污染传输实验的设计思想为了进行具体实验来验证传输几率的理论计算，根据流导的推算方法将传输几率与容器真空度的变化联系起来。分子流导定义为：其分子流率

7、与管的两截面或孔的两侧的平均分子数密度差之比，有两种方法进行计算：方法一：根据流导、流率的定义有：（2）式中：——分子流率；——入口与出口平均分子数密度之差。根据真空度的变化可以得出分子流率的公式：（3）（4）式中：——标准大气压(Pa)；——入口腔内气体真空度的降率(Pa/s)；——入口腔的体积(m3)；——标准状态下1mol气体体积(m3/mol)。由式（2）、（3）、（4）可得：（5）方法二：引入传输几率的概念，分子流导可以表述为7：（6）式中：——入口处的分子流率；——入口与出口平均分子数密度之差；——入口处气体分子密度(mol/m3)；——

8、分子热运动的平均速度(m/s)；——入口孔的面积(m2)；（7）（8）由式（6）、（7）、（8）可得：（9）