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Vakuumgasdynamik

 

Unter Vakuumgasdynamik verstehen wir die Beschreibung von Strömungen im Vakuum. Von besonderem Interesse sind dabei Strömungen durch Rohrleitungen (beliebigen Querschnitts) in einem weiten Bereich der Knudsen-Zahl. Die Knudsen-Zahl ist definiert als Verhältnis der mittleren freien Weglänge zwischen zwei Gasteilchen (bei dem lokal herrschenden Wert des Druckes) und einer charakteristischen Abmessung des Systems (z.B. dem Rohrdurchmesser).

Ist die Knudsen-Zahl klein, befindet man sich im Bereich der Kontinuumsströmung. Ist die Knudsen-Zahl groß, befindet man sich im Bereich der freien molekularen Strömung, d.h. die Wechselwirkung der Teilchen kann vernachlässigt werden gegenüber der Wechselwirkung mit den umgebenden Wänden. Für mittlere Knudsenzahlen (0.01 bis 10) bewegt man sich im Bereich der Übergangsströmung mit ihren besonderen Gesetzmäßigkeiten.

Für Beschreibungen der Kontinuumsströmungen kann man auf verfügbare Lösungen der Navier-Stokes-Gleichung zurückgreifen. Kompliziertere Geometrien werden mit Hilfe von Finite-Volumen-Modellen beschrieben (Computational Fluid Dynamics, CFD) und numerisch gelöst. Im Grenzbereich zwischen Kontinuums- und Übergangsströmung kann die slip flow Annahme verwendet werden, die eine von Null verschiedene Geschwindigkeit an der Wand vorgibt.

Für Beschreibungen der freien molekularen Strömung verwendet man Test Particle Monte Carlo Methoden unter Vernachlässigung von Teilchen-Teilchen-Wechselwirkungen.

Komplizierter ist die Beschreibung des Übergangsbereichs. Für ausgebildete Strömungen (d.h. in der Praxis für lange Kanäle, wofür Ein- und Auslauf vernachlässigbar sind) und bestimmte Querschnitte liegen direkte Lösungen der linearisierten Boltzmann-Gleichung vor. Für kürzere Kanäle erfordert die Lösung der kinetischen Theorie jedoch immer noch einen unvertretbar hohen rechnerischen Aufwand. Als Alternative dazu wird in diesem Bereich der statistische Ansatz der Monte Carlo Methode mit Berücksichtigung der Teilchenstöße verwendet. Dazu wird, je nach Anforderungsprofil, die Methode der Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) verwendet oder die Methode der Time-of-flight Monte Carlo.

 

Am KIT werden alle beschriebenen Rechenmethoden verwendet und weiterentwickelt, siehe Tabelle. Damit wird eine konsistente und abgesicherte Beschreibung von generellen Vakuumströmungsvorgängen in einem weiten Bereich der Knudsenzahl möglich. Für komplexere Strömungen mit Strömungsverteilungen durch Rohrleitungssysteme ist ein Netzwerk-Code vorhanden, der es erlaubt, Druckverteilungen in Systemen mit mehreren Quellen und Senken zu berechnen. Die Kombination des existierenden praktischen Know-Hows im Bereich der Vakuumtechnik und des System engineering allgemein mit den computergestützten Rechenverfahren ist die Basis für unsere Expertise.

 

 

 

KIT Tool-Box:

 

Method

Flow regime

MOVAK3D

Test Particle Monte Carlo, isothermal

Free molecular

ProVac3D

Time-of flight Monte Carlo, transient and non-isothermal

Free molecular, extended to collisional flows

ITERVAC

Semi-empirical network-code

Good as design tool

All flow regimes

DSMC

Direct Simulation Monte Carlo for monatomic gases (short duct flow)

Transitional regime, developing flows

Boltzmann

Solver of the linearized Boltzmann equation (long duct flow)

All flow regimes, developed flows

ANSYS-CFX

Computational fluid dynamics, Solver of the Navier-Stokes equations

Continuum flows

 

 

Am KIT wird die Experimentieranlage TRANSFLOW (Transitional Flow Experimental Facility) (à 1.3.4) betrieben. Damit können in einem weiten Bereich der Knudsen-Zahl Leitwerte von beliebigen Vakuumkomponenten direkt experimentell bestimmt werden. Untersucht wurden schon lange Rohre mit verschiedenen Querschnitten sowie kurze Rohre und Rechteckschlitze.

 

 

Weitere Informationen:

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