減壓模擬設(shè)備迅速抽真空技術(shù)研究及實現(xiàn)

　　為實現(xiàn)迅速抽真空，提出負(fù)壓儲備艙技術(shù)。結(jié)合流導(dǎo)方程和氣體熱力學(xué)理論，推導(dǎo)出艙體間氣流平衡的數(shù)學(xué)方程式，揭示了氣流平衡過程中，艙體間瞬時壓差與起始狀態(tài)壓差、艙體容積成正比，與持續(xù)時間存在指數(shù)關(guān)系，與連接管路流導(dǎo)存有反比關(guān)系�；�于流體微分方程和湍流模型建立非定常流場模型，對壓力平衡過程進(jìn)行動態(tài)仿真，從流場角度揭示了瞬時壓力與時間的關(guān)系。為使負(fù)壓儲備艙實現(xiàn)技術(shù)要求，從氣壓和時間角度進(jìn)行影響因素分析，研究表明，負(fù)壓儲備艙容積至少為70倍試驗艙容積，且連通口面積須有可調(diào)性。通過模型結(jié)果與試驗結(jié)果對比，驗證了所建兩種模型的正確性，也驗證了試驗裝置的可行性。

　　為研究迅速減壓沖擊物理過程對生理的影響，以及檢驗高空防護(hù)系統(tǒng)對迅速減壓沖擊的響應(yīng)和防護(hù)性能，必須在地面進(jìn)行該沖擊物理過程的模擬試驗，完成這種瞬態(tài)模擬試驗所需的設(shè)備即為高空迅速減壓沖擊模擬設(shè)備。為實現(xiàn)試驗研究，所設(shè)計的試驗艙須滿足技術(shù)指標(biāo):在0.5s內(nèi)使艙壓從低氣壓30kPa到中真空低氣壓2.5kPa。而該項技術(shù)指標(biāo)使用真空泵直接抽低氣壓是無法實現(xiàn)的。為實現(xiàn)迅速抽低氣壓，實現(xiàn)技術(shù)指標(biāo)要求，提出一種負(fù)壓儲備艙技術(shù)。試驗艙體內(nèi)充滿氣體，由于艙體物理參數(shù)的不同，如體積、壓強(qiáng)等等，最終試驗所能實現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)也就不同。因此，需要分析這些參數(shù)帶來的影響，進(jìn)而設(shè)計這些參數(shù)。論文基于氣體流導(dǎo)方程和氣體狀態(tài)方程，建立起試驗艙體壓力均衡過程的關(guān)系式，并對艙體間的壓力差值與平衡時間以及與各艙體初始狀態(tài)的關(guān)系進(jìn)行了研究�；�于流體微分方程和湍流模型建立起非定常流場模型，對兩艙體壓力平衡過程進(jìn)行動態(tài)仿真，對兩艙瞬時壓差與平衡時間的關(guān)系進(jìn)行了研究。為使負(fù)壓儲備艙能夠?qū)崿F(xiàn)技術(shù)指標(biāo)要求，基于所建模型，從氣壓和平衡時間等角度進(jìn)行參數(shù)影響分析，進(jìn)而完成試驗裝置設(shè)計。最后對所得模型結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析。

1、艙壓平衡關(guān)系式研究

　　1.1、簡化模型的建立

　　試驗艙體之間通過設(shè)計管道和閥門開關(guān)連通，試驗進(jìn)行時，開啟連通管路的閥門開關(guān)，實現(xiàn)氣流沖擊。隨著時間的推移，氣體不斷從高壓強(qiáng)試驗艙流向低壓強(qiáng)負(fù)壓儲備艙，而且兩艙體之間的壓強(qiáng)差不斷變小，最終達(dá)到兩艙壓平衡。

　　當(dāng)試驗艙和負(fù)壓儲備艙內(nèi)的氣體初始物理參數(shù)確定時，需對兩艙平衡過程所需平衡時間進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，這樣才能預(yù)測該試驗是否能實現(xiàn)技術(shù)指標(biāo)要求。為此，應(yīng)建立艙壓平衡關(guān)系式來預(yù)測平衡時間。以下基于氣體流導(dǎo)方程和氣體狀態(tài)方程，對艙體壓力均衡過程的關(guān)系式進(jìn)行推導(dǎo)。

　　兩艙體通過管道連通，連通示意圖如圖1所示，艙A和艙B的容積參數(shù)確定，兩艙內(nèi)部氣體初始狀態(tài)確定。假設(shè)兩艙體溫度值相等，且pA>pB。

圖1 兩艙體連通示意圖

5、結(jié)論

　　為實現(xiàn)迅速抽真空，提出負(fù)壓儲備艙技術(shù)�；�于氣流流導(dǎo)方程和氣體狀態(tài)方程，推導(dǎo)了艙體間壓力平衡的關(guān)系式，推導(dǎo)出兩艙體瞬態(tài)壓強(qiáng)差與平衡持續(xù)時間存在指數(shù)關(guān)系，與艙體間連接管道流導(dǎo)存在反比關(guān)系，與艙體容積、艙內(nèi)氣體起始狀態(tài)壓強(qiáng)差存在正比關(guān)系。利用該公式可以計算出試驗裝置試驗過程中壓力平衡所持續(xù)的時間。基于流體微分方程和湍流模型建立非定常流場模型，對壓力平衡過程進(jìn)行動態(tài)仿真。通過非定常流場云圖形象地顯示了艙內(nèi)壓力流場分布，得出了艙壓隨時間變化的規(guī)律曲線。有限元結(jié)果可以看出負(fù)壓儲備艙對試驗艙指標(biāo)要求的實現(xiàn)程度。

　　為使負(fù)壓儲備艙實現(xiàn)技術(shù)要求，從氣壓和時間角度進(jìn)行影響因素分析，研究表明，負(fù)壓儲備艙容積至少為70倍試驗艙容積，且連通口面積須有可調(diào)性。試驗結(jié)果顯示試驗艙氣流壓力和平衡持續(xù)時間存在反比關(guān)系，隨著氣流平衡的進(jìn)行，試驗艙艙壓由大變小，最終達(dá)到平衡穩(wěn)定，驗證了試驗裝置的可行性。

　　所建模型結(jié)果與試驗結(jié)果相比，試驗結(jié)果出現(xiàn)了滯后現(xiàn)象，這是由設(shè)備原因造成的。因此，模型結(jié)果同試驗結(jié)果基本吻合，說明建立的裝置模型的正確性。利用數(shù)學(xué)關(guān)系式可以快速估算艙體間氣流壓力平衡所持續(xù)的時間，而有限元結(jié)果可以形象地反映平衡過程流場分布，兩者結(jié)合可以為抽真空等相關(guān)裝置的設(shè)計提供參考。