Verdünnte Strömumg in Spalten von Vakuumpumpen mit bewegter Berandung
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Date
2020
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Abstract
In der vorliegenden Arbeit wird die verdünnte Strömung in Spalten von Vakuumpumpen
diskutiert. Die durch eine Druckdifferenz (Poiseuille-Strömung), eine bewegte
Berandung (Couette-Strömung) oder eine Temperaturdifferenz (thermische Kriechströmung) erzeugten Strömungen, welche isoliert oder kombiniert betrachtet werden, sind
Gegenstand der Untersuchungen. Im Rahmen der Arbeit wird eine eindimensionale
Theorie validiert, welche diese drei Strömungsarten in einem weiten Bereich der Gasverd
ünnung abbilden kann. Dafür werden sowohl Simulationen mithilfe der DSMCMethode
(Direct Simulation Monte Carlo), die das Gas auf Ebene der Teilchen modelliert,
als auch experimentelle Untersuchungen herangezogen. Insgesamt werden zwei
verschiedene Spaltgeometrien betrachtet. Der planparallele Spalt, welcher aus zwei zueinander
parallele Konturen gebildet wird und der Radiusspalt, welcher aus einer planen
Kontur und einer Kontur mit Radius besteht.
Um allgemeingültige Ergebnisse zu erhalten, werden die zur Beschreibung der Strömung notwendigen dimensionslosen Kennzahlen identifiziert. Hierbei wird davon ausgegangen,
dass in jedem Querschnitt in Strömungsrichtung ein vollständiger Wärmeaustausch
zwischen Gas und Wand stattfindet. Die so ermittelten Kennzahlen können
im weiteren Verlauf umfangreich variiert werden.
Für die experimentellen Untersuchungen werden zwei geeignete Spaltmodellaufbauten
vorgestellt. Ein Spaltmodell kann zur Messung des Massenstroms einer reinen
Poiseuille-Strömung genutzt werden. Ein weiteres Modell dient zur Messung des Massenstroms
aufgrund einer kombinierten Couette-Poiseuille Strömung, bei welchem auch
ein Konzept zur Bestimmung der Massenströme weiterer Spalte vorgestellt wird, die
aufgrund der notwendigen bewegten Berandung entstehen.
Anschlieÿend wird eine umfangreiche experimentelle Untersuchung der Spaltströmung
unter Variation der dimensionslosen Kennzahlen durchgeführt. Ein Vergleich der Ergebnisse
mit den Simulationsergebnissen der eindimensionalen Theorie und der DSMCMethode
ergibt über einen weiten Bereich der Gasverdünnung eine gute Übereinstimmung.
Abweichungen finden sich im Bereich der Kontinuumsströmung zwischen eindimensionaler
Theorie und dem Experiment.
Die bei der eindimensionalen Theorie getroffenen Annahmen und Vereinfachungen zur
Berechnung der Strömung werden nachfolgend dahingehen untersucht, in welchen Bereich
der dimensionslosen Kennzahlen die eindimensionale Theorie gute Ergebnisse
liefert. Die Einsatzgrenzen der eindimensionalen Theorie werden mit einer über die
experimentellen Untersuchungen hinausgehenden Variation der dimensionslosen Kennzahlen
ermittelt. Zur Beurteilung der Abbildungsgüte der eindimensionalen Theorie
werden die Simulationsergebnisse der DSMC-Methode herangezogen und auf diesem
Weg können erfolgreich Kriterien für die Einsatzgrenzen herausgearbeitet werden.
Description
Table of contents
Keywords
Vakuumpumpen, Verdünnte Spaltströmung, DSMC-Methode, Eindimensionale Strömungsmodellierung, Experimentelle Untersuchung