【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及真空泵流场仿真，涉及一种真空泵跨流态流场的仿真方法及终端设备与存储介质。
技术介绍
1、真空泵主要用来获取洁净真空环境，是集成电路产业亟待攻克的核心装备之一。近年来，国产真空泵的研发取得了应用突破，在集成电路产业洁净工艺、少量中度污染工艺获得一定的应用，但是在多数中度和重度污染工艺，特别在存在大流量冲击、高背压、交变负载、突曝大气等极端因素影响的环境中，国产真空泵难以长期维持稳定的洁净真空度。为解决针对恶劣工况下真空泵的研发难题，需要针对真空泵内气体输运理论展开研究。
2、真空泵以啮合转子沿两个平行轴旋转，完成气体的吸入、运输和排放。在工作过程中，工作室内的气体压力从吸入压力上升到排放压力，其跨度为10-1pa至大气压。如此大的压力范围导致真空泵独特的工作特性，即内部流域具有跨尺度的特点，其包含了粘滞流、过渡流、分子流等跨流态的气体输运过程。
3、目前，国内缺乏对真空泵内气体统一输运理论的研发。在对于真空泵内气体输运模拟研究中大多采用cfd方法(computational fluid dynamics，计算流体力学，简称cfd)，往往忽略真空泵入口处以及在间隙处因压差及微小尺寸造成的稀薄流态。且cfd方法是基于连续性假设描述流场的控制方程，一般指ns方程(navier-stokes equations，纳维-斯托克斯方程，简称ns方程)，即用计算流体力学的方法将其离散到一系列网格节点上求其离散数值解，在网格节点包含着流体的相关物理量。但上述离散过程包括空间离散和时间离散两个过程，cfd方法无
4、dsmc方法(direct simulation monte-carlo，直接模拟蒙特卡罗仿真，简称dsmc)是一种基于混沌假设描述流场的粒子统计方法，即通过随机生成粒子，模拟真实气体分子运动，并对粒子标记追踪，通过系综平均获得流场宏观物理量。为研究稀薄流态在真空泵内影响可以采用dsmc方法。
5、但目前显少有在同一流场内采用两种计算方法的仿真模型，尤其是对真空泵跨流态流场进行仿真的方法。虽然中国专利文献cn108388742a公开一种空间飞行器带压分离的仿真分析方法，该方法将压力舱段分解为内部连续流场和外部稀薄流场分别计算，并建立理论模型给出计算域入口/出口的边界条件，采用cfd方法计算内部区域流场、采用dsmc方法求解外部区域流场，利用流场分析结果最终确定带压分离对两飞行器的干扰力。但该方法在不同流场中分别采用cfd方法、dsmc方法进行计算，并没有实现两种方法的结合，而且也并不适用于真空泵跨流态流场仿真。
6、另外，中国专利文献cn104376151a公开一种火箭发动机真空干扰羽流场仿真方法，步骤为：(1)采用cfd计算流体力学方法计算火箭发动机喷流在10pa环境压力下的喷流干扰流场；(2)在流场未受干扰的喷流核心区域选取密度等值面作为三维dsmc计算的喷流初始边界；(3)进行喷流干扰流场的三维dsmc计算，实现所述火箭发动机真空干扰羽流场仿真。但该方法也只是避开了cfd/dsmc耦合仿真技术难题，并没有实现cfd与dsmc两种方法的耦合，也并不适用于真空泵跨流态流场仿真。
7、因此现有技术并不能实现真空泵跨流态流场的仿真，针对这些问题，本专利技术拟开发一种cfd和dsmc相结合的真空泵跨流态流场仿真方法，为真空泵的设计与生产，尤其是本内气体输送提供理论支持。
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题是提供一种真空泵跨流态流场仿真方法及终端设备与存储介质。其目的在于，针对现有技术存在的技术问题，在真空泵气体流域内将cfd与dsmc两种计算方法耦合，实现真空泵内跨流态流场分析的仿真，提高计算精度和计算效率。
2、为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
3、第一方面，本专利技术提供一种真空泵跨流态流场仿真方法，所述方法是一种在流域内将cfd方法与dsmc方法耦合，并将梯度克努森数作为连续介质失效判据，同时建立不同子区网格之间对应关系，实现子区信息交互，经过子区间反复迭代模拟直到达到终止准则，从而实现真空泵内跨流态流场分析的仿真方法。
4、进一步地，所述方法具体包括如下步骤：
5、s1、采用cfd方法计算真空泵入口为0.1pa到出口为大气压的旋转流场，得到气体的宏观特性；
6、s2、子区分区：选用梯度克努森数kngll作为子区分区依据，并以kngll等于0.05这一等值面作为划分连续流子区与稀薄流子区的依据；并在划分时为了保证计算的准确性，以免有些区域未标记遗漏，将稀薄流子区扩大至连续流子区形成重叠区，重叠区采用cfd与dsmc两种方法独立计算；
7、s3、在子区分别划分不同大小的非结构网格并连接确定子区网络的映射关系；
8、为保证计算效率，各子区选择不同的网格大小，在稀薄流子区dsmc方法需要较小的网格；同时为了确保数据传递的准确性，需要同时确定子区网格的映射关系。
9、s4、根据步骤s1初始cfd方法计算获得的气体的宏观特性和chapman–enskog分布函数以及步骤s3确定的子区网格映射关系，在稀薄流子区中生成粒子，并开始进行dsmc模拟；
10、s5、依据终止准则，计算cfd与dsmc方法在连续性失效界面的计算结果是否满足规定；若满足，则分区确定；若不满足，再次依据dsmc方法的计算结果进行分区；
11、s6、重新划分子区后，将dsmc方法计算结果采用亚豫弛方法根据碰撞后的速度分布和动能信息，对气体的宏观特性进行修正和调整并赋予连续流子区；
12、该步骤中根据碰撞后的速度分布和动能等信息，对气体的宏观性质进行修正和调整，以使得模拟结果更符合实际情况。
13、s7、重复步骤s4～s6，直至满足终止规则，并分别将不同子区计算至收敛，实现真空泵内跨流态流场仿真分析。
14、进一步地，步骤s1具体为：
15、根据真空泵实际参数建模并提取流场，将得到的三维流场使用fluent仿真软件进行cfd方法计算，设置入口边界条件为压力边界0.1pa，出口边界条件也设置为压力边界大气压(101325pa)，同时采用动网格模拟真空泵在实际运行过程中流域变化对流场的影响，获得气体的宏观特性。
16、进一步地，步骤s2中梯度克努森数kngll通过如下公式(1)、(2)计算得到：
17、
18、
19、其中：λ、ρ、v、t分别表示分子平均自由程、密度、速度、温度，u、v、w分别表示x、y、z三个方向的速度分量；为变量，代指ρ、v、t；为密度梯度、为温度梯度，为速度梯度，为变量梯度；max表示计算结果中最大值。
20、进一步地，步骤s4中的chapman–enskog分布函数具体是指如下公式(3)：
21、fkn＝f(0)+knf(1)+kn2f(2)本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种真空泵跨流态流场仿真方法，其特征在于，
2.根据权利要求1所述的真空泵跨流态流场仿真方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：
3.根据权利要求2所述的真空泵跨流态流场仿真方法，其特征在于，步骤S1具体为：
4.根据权利要求2所述的真空泵跨流态流场仿真方法，其特征在于，步骤S2中梯度克努森数KnGLL通过如下公式(1)、(2)计算得到：
5.根据权利要求2所述的真空泵跨流态流场仿真方法，其特征在于，步骤S4中的Chapman–Enskog分布函数具体是指如下公式(3)：
6.根据权利要求5所述的真空泵跨流态流场仿真方法，其特征在于，步骤S4在每个稀薄流子区选取可能的碰撞分子对，并由随机数判断真正发生碰撞的分子，计算碰撞后的分子速度及内能，具体过程如下：
7.根据权利要求2所述的真空泵跨流态流场仿真方法，其特征在于，步骤S5中在连续性失效界面计算CFD与DSMC两种算法的平均绝对误差，并将平均绝对误差AAE小于0.02作为子区分界确定的终止准则；
8.一种仿真终端设备，其特征在于，包括至少
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现权利要求1-7任一所述的真空泵跨流态流场仿真方法。
...【技术特征摘要】
1.一种真空泵跨流态流场仿真方法，其特征在于，
2.根据权利要求1所述的真空泵跨流态流场仿真方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：
3.根据权利要求2所述的真空泵跨流态流场仿真方法，其特征在于，步骤s1具体为：
4.根据权利要求2所述的真空泵跨流态流场仿真方法，其特征在于，步骤s2中梯度克努森数kngll通过如下公式(1)、(2)计算得到：
5.根据权利要求2所述的真空泵跨流态流场仿真方法，其特征在于，步骤s4中的chapman–enskog分布函数具体是指如下公式(3)：
6.根据权利要求5所述的真空泵跨流态流场仿真方法，其特征在于，步骤s4在每个稀薄流子区选取可能的碰撞分子对，并由...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘坤，王桂鹏，王晓明，邹先峰，谢元华，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：
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