Modelování a simulace celkového a statického tlaku v oblasti nadzvukového proudění v nízkých tlacích

Abstract

Tato práce se zabývá problematikou nadzvukového proudění plynů při nízkých tlacích v diferenciálně čerpaných komorách, které jsou využívány v oblasti environmentální rastrovací elektronové mikroskopie. Výzkum navazuje na aktivity Ústavu přístrojové techniky AV ČR a Ústavu elektrotechnologie VUT FEKT Brno a zaměřuje se na experimentální a CFD analýzu proudění v prostředí na pomezí mechaniky kontinua. Cílem práce je aplikace metody mapování osy proudění pomocí pitotových trubic pro snímání statického a celkového tlaku a vytvoření základů pro další rozvoj této metodiky. K dosažení cílů byly využity CFD analýzy v systému Ansys Fluent, které popisují charakter nadzvukového, podexpandovaného proudění s rázovými vlnami při různých tlakových škálách. Na základě těchto analýz byly stanoveny vhodné polohy pro experimentální měření. Součástí práce je také návrh, vývoj a realizace snímání statického a celkového tlaku v experimentální komoře pro optimalizované měření pro malé rozměry a minimalizaci ovlivnění proudění. Výsledky práce přispívají k lepšímu pochopení proudových jevů v diferenciálně čerpaných systémech environmentální elektronové mikroskopie a k rozvoji experimentálních metod jejich měření.This work deals with the issue of supersonic gas flow at low pressures in differentially pumped chambers used in the field of environmental scanning electron microscopy. The research builds on the activities of the Institute of Scientific Instruments of the Czech Academy of Sciences and the Department of Electrotechnology at Brno University of Technology, Faculty of Electrical Engineering and Communication, and focuses on experimental and CFD analysis of flow in an environment at the boundary of continuum mechanics. The aim of the work is to apply the method of flow-axis mapping using Pitot tubes for measuring static and total pressure and to establish a basis for the further development of this methodology. To achieve these objectives, CFD analyses in the Ansys Fluent system were employed, describing the characteristics of supersonic, underexpanded flow with shock waves across various pressure scales. Based on these analyses, suitable positions for experimental measurements were determined. The work also includes the design, development, and implementation of static and total pressure measurements in an experimental chamber, optimized for small dimensions and minimal disturbance of the flow. The results contribute to a better understanding of jet flow phenomena in differentially pumped systems of environmental electron microscopy and to the development of experimental methods for their measurement.