شبیه سازی پمپ توربومولکولی با کامسول

شبیه سازی پمپ توربومولکولی با کامسول پمپ توربومولکولی نوعی پمپ خلاء مکانیکی است که قادر به رسیدن به شرایط خلاء فوق العاده بالا UHV است. روش‌های عددی تخصصی برای مدل‌سازی جریان گاز در چنین فشارهای پایینی مورد نیاز است، زیرا مولکول‌های گاز به ندرت با یکدیگر برخورد می‌کنند. نرم افزار کامسول دو روش محاسباتی مجزا برای شبیه سازی گازهای بسیار کمیاب ارائه می دهد: روش ضریب زاویه ای و روش مونت کارلو. در این پست وبلاگ، شبیه سازی مونت کارلو از مرحله پمپ توربومولکولی را معرفی می کنیم. درک سیستم های خلاء فناوری خلاء در بسیاری از کاربردهای صنعتی با تکنولوژی بالا، مانند ساخت تراشه های نیمه هادی، یافت می شود. محیط های خلاء نیز در تحقیقات بنیادی ضروری هستند. به عنوان مثال، یک شتاب دهنده ذرات در فشار اتمسفر کار نمی کند، زیرا ذرات در حال شتاب با مولکول های هوای اطراف اغلب بسیار برخورد می کنند. در یک محیط خلاء، فشار مطلق گاز بسیار کمتر از فشار معمول جو در سطح دریا است. ، که حدود 101325 پاسکال (Pa) یا 14.7 پوند بر اینچ مربع (psi) است. اتمسفر بیشتر از نیتروژن و اکسیژن است، اما وقتی با اتاق‌های خلاء سروکار داریم، باید همه گونه‌ها را در نظر بگیریم. حتی خروج گاز (تععید و تبخیر) از دیوارها، اتصالات و روان کننده ها می تواند تأثیر قابل توجهی بر فشار محفظه خلاء داشته باشد.

از پمپ خلاء برای خارج کردن گاز از محفظه استفاده می شود و در نتیجه فشار محفظه را کاهش می دهد.

انواع مختلفی از پمپ خلاء موجود است

پمپ های پره ای دوار

پمپ های پیستونی دوار
پمپ های انتشار
پمپ های توربومولکولی
پمپ های برودتی
پمپ های یونی

انجام پروژه کامسول پمپ توربومولکولی

استفاده از دو یا چند نوع مختلف پمپ به صورت پشت سر هم بسیار متداول است که هر کدام برای محدوده فشار خاصی مناسب هستند. به عنوان مثال، یک پره دوار یا پمپ پیستونی می تواند هوا را در فشار اتمسفر تخلیه کند در حالی که فشار محفظه خلاء را به کمتر از 0.1 Pa یا بیشتر کاهش می دهد. از طرف دیگر، یک پمپ توربومولکولی می تواند به شرایط UHV (کمتر از 10-7 Pa) دست یابد اما در فشار اتمسفر به درستی کار نمی کند. برای کاهش فشار از فشار اتمسفر به UHV، ابتدا می توانید فشار را با استفاده از پمپ پره ای دوار (که در این روش پمپ خشن نامیده می شود) به 0.1 Pa کاهش دهید و سپس فشار را از 0.1 Pa به 10 کاهش دهید. -7 Pa با استفاده از پمپ توربومولکولی. توجه داشته باشید که خلاء کامل را نمی توان در عمل به دست آورد. یک متر مکعب هوا در فشار اتمسفر و دمای اتاق بیش از 10 سپتیلیون (1025) مولکول دارد. حتی در UHV، یک متر مکعب هوا همچنان حاوی تریلیون ها مولکول است! هدف حذف تمام مولکول‌های هوا نیست، بلکه فقط حذف مقدار کافی از آنهاست تا مانعی برای آزمایش یا فرآیند تولید در داخل محفظه نشوند.

آموزش comsol جریان گاز در سیستم های خلاء

پمپ توربومولکولی تنها زمانی کار می کند که گازی که از آن عبور می کند یک جریان مولکولی آزاد باشد. به عبارت دیگر، فشار گاز در حال حاضر باید به اندازه کافی کم باشد تا مولکول ها به مراتب بیشتر از برخورد با یکدیگر به سطوح اطراف برخورد کنند. بنابراین، این پمپ تنها برای دستیابی به شرایط UHV استفاده می شود که یک پمپ زبر قبلاً فشار را به حدود 0.1 Pa کاهش داده است.

به طور کلی، وقتی به جریان هوا فکر می کنیم، یک جریان پیوسته را تصور می کنیم. هنگامی که هوا از طریق یک گذرگاه باریک به داخل اتاق جریان می یابد، این پفک هوا پخش می شود و ممکن است مناطق چرخش مجدد را در همه طرف ایجاد کند. هنگامی که جریانی از هوای متحرک به یک مانع می رسد، انتظار داریم که در اطراف انسداد جریان داشته باشد و فضای خالی پشت آن را پر کند. هوا به این ترتیب رفتار می کند زیرا نیتروژن، اکسیژن و سایر مولکول های گاز موجود در هوا میلیاردها بار در ثانیه با یکدیگر برخورد می کنند. در فشارهای گاز بسیار کم، گاز به عنوان یک جریان مولکولی آزاد عمل می کند که تحت تأثیر برخورد مولکول-دیوار است. به جای برخورد مولکول-مولکول. اگر گاز از یک روزنه باریک به فضای باز بزرگی رها شود، بیشتر مولکول ها به جای پخش شدن در همه جهات به دلیل برخوردهای بین مولکولی، تقریباً در یک جهت به بیرون پرواز می کنند – پدیده ای به نام پرتو مولکولی.

هنگامی که مولکول های گاز به یک سطح برخورد می کنند، ممکن است توسط سطح جذب شوند یا از آن منعکس شوند. مولکول ها توسط سطح در جهات تصادفی منعکس می شوند حتی اگر سطح ممکن است با چشم غیر مسلح کاملاً صاف به نظر برسد. یک تقریب منصفانه این است که یک توزیع احتمال را به همه زوایای مختلف بازتاب ممکن اختصاص دهیم. معمولاً این تابع توزیع احتمال متقارن حول جهت عادی به سطح است. انتخاب روش عددی
در نرم افزار COMSOL، دو روش عددی اصلی برای شبیه سازی جریان های گاز بسیار کمیاب وجود دارد. یکی روش ضریب زاویه ای نامیده می شود و توسط رابط فیزیک جریان مولکولی آزاد که با ماژول جریان مولکولی موجود است استفاده می شود. روش ضریب زاویه ای نوعی محاسبه ضریب دید است که شارهای مولکولی را در مرزهای مدل محاسبه می کند، با این فرض که مولکول های گاز فقط با دیواره ها برخورد می کنند و هرگز با مولکول های دیگر برخورد نمی کنند. اشکال اصلی روش ضریب زاویه‌ای این است که “شبه‌ایستایی” است – یعنی زمان پرواز محدود مولکول‌ها را نادیده می‌گیرد، که در اینجا عامل مهمی است زیرا تیغه‌ها می‌توانند به راحتی به سرعت چند صد متر در هر برسند. دوم، قابل مقایسه با سرعت های مولکولی است. برای آموزش کامسول  بصورت آنلاین اقدام کنید.

به منظور شبیه سازی پمپ توربومولکولی با کامسول توضیح کامل حرکت پره ها در پمپ توربومولکولی، در عوض شبیه سازی مونت کارلو را با استفاده از رابط ریاضی ذرات ردیابی موجود با ماژول ردیابی ذرات انجام خواهیم داد. در مدل مونت کارلو، ما حرکت تک تک مولکول‌های گاز را با حل قوانین حرکت نیوتن حل می‌کنیم. تعداد واقعی مولکول‌های منفرد در پمپ ممکن است برای مدل‌سازی هر مولکول به‌طور مجزا خیلی زیاد باشد، به دلیل محدودیت در هزینه محاسباتی، اما ما می‌توانیم نمونه‌ای نماینده از مولکول‌ها – مثلاً 100000 – گرفته و سپس نتایج را برای کل جمعیت برون‌یابی کنیم. برای مطالعه فیلترینگ دیتا بهبود عملکرد مدل کامسول کلیک کنید.با کامسول

یک شبیه‌سازی مونت کارلو برای پیش‌بینی احتمال انتقال مولکول‌های گاز در یک مرحله پمپ توربومولکولی ساده‌شده، متشکل از یک حلقه چرخان از پره‌ها، استفاده می‌شود. همانطور که قبلاً بحث کردیم، یک روتور پمپ معمولی حاوی پره های N معمولاً تقارن چرخشی N برابری را نشان می دهد. بنابراین، می‌توانیم مدل را ساده‌تر کرده و هزینه محاسباتی را تنها با در نظر گرفتن مولکول‌هایی که از یک شکاف بین دو تیغه مجاور عبور می‌کنند، کاهش دهیم.