论文部分内容阅读
在航天事业发展的带动下，低压稀薄气体的流动研究备受关注。稀薄气体条件具有清洁无污染的优点适用于精密零件加工，被集成电路(IC)、微机电系统(MEMS)等众多产业所应用。因此，对低压稀薄气体的流动进行研究具有重要意义。
粒子图像测速(PIV)技术作为现阶段流体力学实验研究的重要手段，利用在流场中均匀布撒的示踪粒子运动间接地反映流场的速度分布，因此，示踪粒子的跟随性对实验测量精度有直接的影响。真空系统中随着真空度的提高，流场中气体密度不断变化，使测量难度不断增加，所以有必要对稀薄条件下PIV实验中示踪粒子的选择、布撒及其跟随性进行分析，以便确立PIV实验在真空技术领域的应用范围、条件和具体方法。
本文建立了一套可对真空度进行调节的实验装置，从大气压开始逐渐降低系统压力，进行系列稀薄气体流动的PIV流场实验。实验前对本课题实验使用示踪粒子进行选择，通过对5种粒子进行不同压力条件下的PIV实验，得到粒子各自适合的实验测试环境，可进行PIV实验的压力范围。对几种粒子的实验结果进行分析，选择香烟烟雾作为低压气体流动的实验示踪粒子。
通过计算流体力学(CFD)模拟方法，模拟流场的运动形态显示，常压状态下流场的中心区域具有较大流速约为4m/s，在测试室出口处由于流场碰撞壁面引起回弹现象导致此区域流速降低。通过与PIV实验结果对比，得出模拟结果具有良好的准确性与实验结果基本保持一致，误差在可接受范围内。
使用所选粒子逐次降低真空系统的压力，分别对101kPa、90kPa、80kPa、70kPa、60kPa、50kPa、40kPa、30kPa、20kPa、10kPa以及0.5kPa的系统压力条件进行PIV实验。得出结论烟雾粒子在101～60kPa压力范围内可以很好的跟随流场运动，反映流场的流动形态;在60～30kPa压力范围内，所测量的流场流速降低，但可以完整反映流场形态;在30～10kPa压力范围内，所测量的流场的形态不再完整，最小速度降低约为1.5m/s，与实际流场相比流速产生严重偏差;在0.5kPa压力条件达到本实验系统测试的最小压力，此时示踪粒子不再跟随流场运动。本课题的研究方法和分析结果，可以对低压稀薄气体的实验研究提供参考依据。
粒子图像测速(PIV)技术作为现阶段流体力学实验研究的重要手段，利用在流场中均匀布撒的示踪粒子运动间接地反映流场的速度分布，因此，示踪粒子的跟随性对实验测量精度有直接的影响。真空系统中随着真空度的提高，流场中气体密度不断变化，使测量难度不断增加，所以有必要对稀薄条件下PIV实验中示踪粒子的选择、布撒及其跟随性进行分析，以便确立PIV实验在真空技术领域的应用范围、条件和具体方法。
本文建立了一套可对真空度进行调节的实验装置，从大气压开始逐渐降低系统压力，进行系列稀薄气体流动的PIV流场实验。实验前对本课题实验使用示踪粒子进行选择，通过对5种粒子进行不同压力条件下的PIV实验，得到粒子各自适合的实验测试环境，可进行PIV实验的压力范围。对几种粒子的实验结果进行分析，选择香烟烟雾作为低压气体流动的实验示踪粒子。
通过计算流体力学(CFD)模拟方法，模拟流场的运动形态显示，常压状态下流场的中心区域具有较大流速约为4m/s，在测试室出口处由于流场碰撞壁面引起回弹现象导致此区域流速降低。通过与PIV实验结果对比，得出模拟结果具有良好的准确性与实验结果基本保持一致，误差在可接受范围内。
使用所选粒子逐次降低真空系统的压力，分别对101kPa、90kPa、80kPa、70kPa、60kPa、50kPa、40kPa、30kPa、20kPa、10kPa以及0.5kPa的系统压力条件进行PIV实验。得出结论烟雾粒子在101～60kPa压力范围内可以很好的跟随流场运动，反映流场的流动形态;在60～30kPa压力范围内，所测量的流场流速降低，但可以完整反映流场形态;在30～10kPa压力范围内，所测量的流场的形态不再完整，最小速度降低约为1.5m/s，与实际流场相比流速产生严重偏差;在0.5kPa压力条件达到本实验系统测试的最小压力，此时示踪粒子不再跟随流场运动。本课题的研究方法和分析结果，可以对低压稀薄气体的实验研究提供参考依据。