VÝZKUM NADZVUKOVÉHO PROUDĚNÍ NA POMEZÍ MECHANIKY KONTINUA

Abstract

Tato práce se zabývá výzkumem v oblasti nadzvukového proudění v dýze za podmínek nízkého tlaku na pomezí mechaniky kontinua. Tento jev je běžný například v diferenciálně čerpané komoře Environmentálního rastrovacího elektronového mikroskopu (EREM), která odděluje dvě oblasti s významným tlakovým gradientem pomocí clonky. Tvar dýzy a řízení toku v této oblasti mohou významně ovlivnit rozptyl a ztrátu primárního elektronového svazku procházejícího diferenciálně čerpanou komorou a clonkou. Pro tyto účely byla zkonstruována experimentální komora pro výzkum aspektů dané oblasti nízkých tlaků s rozdílným poměrem setrvačných a vazkých sil. V prvním kroku byl za pomoci teorie jednorozměrového isoentropického proudění navržen ve 3D objemovém modeláři první tvar experimentální komory a provedeny první matematicko-fyzikální analýzy proudění u předpokládaného tlakového spádu, ze kterých byly stanoveny vhodné rozsahy tlakových sensorů pro minimalizaci chyby měření. První experimentální výsledky získané z vyrobené experimentální komory byly použity pro další odladění systému Ansys Fluent a v této kombinaci byly provedeny první analýzy nadzvukového proudění a rázových vln v nízkých tlacích. V dalším kroku byla na odladěném matematicko-fyzikálním modelu provedena analýza vlivu drsnosti povrchu na výsledné chování toku v nízkých tlacích.This research investigates supersonic flow in a nozzle under low-pressure conditions at the continuum mechanics boundary. This phenomenon is commonly observed in the differentially pumped chamber of an Environmental Scanning Electron Microscope (ESEM), which separates two regions with a significant pressure gradient using an aperture. The nozzle shape and flow control in this region can significantly influence the scattering and loss of the primary electron beam passing through the differentially pumped chamber and aperture. To study these effects, an experimental chamber was designed to investigate aspects of low-pressure flow with varying ratios of inertial and viscous forces. Initially, a 3D computational model was created based on one-dimensional isentropic flow theory to design the experimental chamber and perform preliminary CFD analyses of the flow under the anticipated pressure gradient. These analyses determined suitable ranges for pressure sensors to minimize measurement error. The first experimental results obtained from the constructed experimental chamber were used to further fine-tune the Ansys Fluent system, and a combination of experimental data and simulations was used to perform initial analyses of supersonic flow and shock waves at low pressures. Subsequently, the fine-tuned CFD model was used to analyze the influence of surface roughness on the resulting flow behavior at low pressures.