Влияние химического состава и структуры поверхности на макроскопические характеристики течения ультраразреженного газа в каналах

• Автор: Сажин, Олег Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 125 с.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К ИССЛЕДОВАНИЮ ПРОЦЕССА ОБТЕКАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ПОТОКОМ РАЗРЕЖЕННОГО ГАЗА
1.1. Проблемы описания процесса обтекания твёрдых тел
РАЗРЕЖЕННЫМ ГАЗОМ
1.2. Модельные представления о рассеянии газа поверхностью
1.3. Экспериментальные подходы
1.4. Исследования течения ультра разреженного газа в каналах..31 Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ
ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОВЕРХНОСТИ ПА ТЕЧЕНИЕ ГАЗА В
ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ КАНАЛЕ
2.1. Метод исследования
2.2. Описание экспериментальной установки
2.3. Методика применения мембранного микроманометра емкостного типа для измерения проводимости канала
2.4. Методика формирования атомно-чистого покрытия поверхности канала
2.5. Процедура измерений
2.6. Методика обработки экспериментальных данных
2.7. Экспериментальные результаты
2.8. Обсуждение экспериментальных результатов
Глава 3. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ПРЯМОГО СТАТИСТИЧЕСКОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ МОНТЕ-КАРЛО В ЗАДАЧАХ О ВНУТРЕННЕМ
ОБТЕКАНИИ ПОВЕРХНОСТИ РАЗРЕЖЕННЫМ ГАЗОМ
3.1. Метод I ыобной частицы

3.2. СВОБОНОМОЛЕКУЛЯРНАЯ ВЕРСИЯ МЕТОДА МОНТЕ-КАРЛО
3.3. Метод прямого статистического моделирования Монте-Карло
3.4. Применение метода Монте-Карло к задаче о релаксации разреженного газа в ограниченном пространстве
3.4.1. Постановка задачи
3.4.2. Принципиальные результаты
Глава 4. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА ГІО
ИССЛЕДОВАНИЮ ВЛИЯНИЯ ПОКРЫТИЯ ПОВЕРХНОСТИ НА
ТЕЧЕНИЕ ГАЗА В ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ КАНАЛЕ
4.1. Численное моделирование течения газа через цилиндрический канал в свободномолекулярном режиме
4.2. Проводимость цилиндрического канала в процессе экспозиции и сравнение с экспериментальными данными
Глава 5. ВЛИЯНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ НА СВОБОДНОМОЛЕКУЛЯРНОЕ ТЕЧЕНИЕ ГАЗА В ПРЯМОУГОЛЬНОМ КАНАЛЕ
5.1. Течение газа в прямоугольном канале конечных размеров
5.2. Моделирование шероховатости и процедура расчёта.
5.3. Результаты расчёта и сравнение с экспериментом..
ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Прогресс в теории тепло- и массопереноса в гетерогенных системах и на межфазной границе «газ- твёрдое тело» в существенной мере определяется успехами в развитии представлений о рассеянии отдельных молекул атомами поверхности и элементами се микроструктуры. Элементарные процессы, связанные с переносом энергии и импульса в таких системах, принято учитывать путем задания соответствующих граничных условий. Для построения граничных условий к уравнениям тепло- и массопереноса, которые адекватно бы отражали реальные процессы, происходящие на микроуровне, требуются либо экспериментальные данные, либо детальные модели рассеяния, построенные из первых молекулярных принципов. Поэтому теоретическое и экспериментальное исследование, связанное с получением данных о влиянии взаимодействия газовых молекул с поверхностью твёрдого тела на макроскопические характеристики газа и развитием модельных представлений о процессах, происходящих на межфазной границе “газ - твёрдое тело”, представляется актуальным.
Кроме того, проблема взаимодействия газа с поверхностью имеет практический аспект. В частности, расчеты вакуумных систем, проблемы оценки торможения и теплообмена летательных аппаратов, а также ряд других практических задач, связанных с переносом энергии и импульса между разреженным газом и твердым телом, требуют как развития теории, так и экспериментальных данных для конкретных систем.
В настоящее время теория не в состоянии описать все возможные ситуации, происходящие в системе «газ - твёрдое тело». В то же время эксперимент не обеспечивает теорию конкретной информацией, необходимой для построения моделей. Речь идет об экспериментальной зависимости макроскопических характеристик системы от наиболее существенных микроскопических факторов, определяющих характер взаимодействия газовых молекул с поверхностью твердого тела. К числу

значительно превышают или совпадают по значениям для менее гладких капилляров. Увеличение вероятности прохождения для капилляров с высоко полированной поверхностью авторы объясняют упругим отражением молекул от поверхности, а уменьшение - преимущественным отражением молекул против потока поверхностными неровностями.
Также обнаруживается тенденция, согласно которой экспериментальные значения для более коротких капилляров ближе к теоретическим значениям, чем для более длинных капилляров. Этот факт
авторы объясняют переходом к предельному случаю (—> 0), в котором
отсутствует влияние свойств поверхности на течение газа, т.к. молекулы практически не сталкиваются с таким капилляром.
Кроме того, авторы провели экспериментальные измерения вероятности прохождения для капилляров с искусственно шероховатой поверхностью. Было обнаружено, что для латунных капилляров с нарезанными на поверхности ребрами, как для прямоугольного так и треугольного профиля с углами наклона ребер от 30° до 75° и с глубиной нарезки от 0.1% до 5% радиуса капилляра наблюдаемая вероятность прохождения ниже теоретической. Наблюдается удовлетворительное совпадение в пределах погрешности эксперимента и ошибки вычисления экспериментальных данных с расчётами, выполненными методом Монте-Карло. При расчете предполагалось, что отражение молекул газа от грани отдельного элемента структуры поверхности происходит полностью диффузно.
В таблице 1.4.2 представлены результаты вычислений с использованием метода Монте-Карло вероятности прохождения ]¥ капилляра с симметричной моделью шероховатости поверхности для различных значений параметров модели.