FLUENT抽真空过程模拟
1 前言
真空指的是在给定的空间内低于一个大气压的气体状态，真空状态下，单位体积中的气体分子数大大减少，分子平均自由程增大，气体分子之间、气体分子与其他粒子之间的碰撞也随之减少。理想的真空就是绝对压力为0Pa，但现实中基本上是做不到的，据说目前的真空度可达10-12Pa，属于超高真空了，随之而上的是高真空、低真空和粗真空。这里就产生一个问题，FLUENT能否模拟真空呢？我们知道，FLUENT是通过求解NS方程来模拟流场的，NS方程有个基本的假设就是连续介质假设，所谓连续介质简而言之就是单元内的粒子数足够多。连续介质可以用克努森数（Kn）来表征，Kn数是描述气体分子平均自由程λ与流场中的物体特征长度L的比值，Kn描述了气体分子在流场中与物体相互作用的程度，Kn=λ/L=κBT/√2πσ2PL。其中，λ为分子平均自由程(m)、L为特征长度(m)、T为温度(K)，κB为玻尔兹曼常数(J/K)、P为全压(Pa)、σ为分子直径(m)。通常认为Kn数小于0.001时，流体为连续介质，越接近0，越符合连续介质假设。综上，可以根据真空系统的Kn数来判断是否可以用FLUENT计算流场。本案例，我们模拟抽真空过程，从101325Pa抽至真空状态。2 建模与网格
创建如下的1m×1m二维平面腔体，底部中心有个宽度0.1m的抽气孔。3 边界条件与求解设置
介质为空气，初始状态为101325Pa（绝对压力），温度300K。模拟抽真空过程一定要采用非常值密度模型，理想气体模型即可满足要求，注意理想气体是可压缩流体模型，建议参考压力设置为0Pa，参考密度设置为0（如果计算浮升力）。根据理想气体状态方程可以求得腔体内部空气初始质量为1.1767kg。抽气孔设置为质量出口，质量流量0.02kg/s，也就是约59s后抽成绝对真空。当然计算结果最好不要使得绝对压力为0Pa，否则会警告，因此我们计算30s。另外，也可以设置成速度入口，后面我们讨论。创建几个监视器，监测腔体平均温度、平均压力和抽气孔速度。4 计算结果
我们看一下30s内的腔体温度和压力曲线以及抽气孔的速度曲线，腔体内温度和压力均下降，符合预期，出口速度整体呈现上升趋势，这是因为我们采用了质量流量边界，腔体内的密度会逐渐降低，质量流量不变的情况下，速度必然上升。30s后，腔体的温度、压力分别为252.4K和55284.2Pa，我们计算一下此时时的Kn数（空气分子的平均有效直径σ为3.5×10-10m，特征长度取腔体边长）为1.16e-7，远小于0.001，因此满足连续介质假设，采用FLUENT计算是可行的。前文说过，抽气孔也可以设置成速度入口，不过速度值要为负数，温度根据内部计算得到而非边界设定值。类似的，随着密度降低，同样的速度下，质量流量则逐渐减小。另外，对于本案例，采用速度边界，收敛性更好。著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2024-06-16
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