工业中许多在真空环境下操作的快速过程,要求系统压力相对大气压快速变化几个数量级,此类系统常利用真空计读数来监测控制。因此,真空计对压力快速变化的响应时间是真空计制造商及研究人员关注的重点。为研究真空计对压力快速变化的动态响应特性,兰州空间技术物理研究所(Lanzhou Institute of Physics,LIP)研制了一种毫秒(millisecond,ms)量级快速动态真空校准装置,其工作原理为利用上游室内约1 atm的气体经限流元件和快速开合超高真空插板阀以预计的方式膨胀向真空(10~-66 Pa量级)的下游室来近似工业生产中遇到的压力快速变化过程。然而,膨胀过程中上、下游气体流态在同一时刻通常不同且均随时间演变,可能会表现出湍流、湍-粘滞过渡流、粘滞流、粘滞-分子流和分子流等不同流态,而不同流态下管道流导的计算方法并不相同,且其值也不同,给计算限流组件对气体的流导带来了很大挑战。可见,开展限流组件的稀薄气体流动机理研究和理论分析具有重要理论意义和工程应用价值。本文以LIP开发的动态真空校准装置中的校准系统为研究对象,开展了以下主要工作:(1)构建了经实际气体特性和温度变化修正的动态真空标准压力理论模型。快速动态真空标准压力的建立应体现出快速(ms量级)阶跃变化(压力增大或衰减1000倍)的动态特性。本研究采用膨胀法建立动态真空标准压力,通过快速开合的超高真空插板阀、限流元件以及较大的上、下游容积差来实现标准压力建立的动态特性。建立气体膨胀过程质量守恒关系,在初始条件下求解微分方程,得到动态真空标准压力理论模型。此外,考虑实际气体特性及温度变化对标准压力建立的影响,引入实际气体特性及温度变化修正因子予以修正。对标准压力理论模型分析表明,上游气体压力呈指数规律衰减,限流元件流导值和快速开合超高真空插板阀打开时间是决定标准压力建立时间的关键因素。(2)对气体膨胀过程进行理论分析,并采用了阻塞流流态近似。计算膨胀过程气体稀薄参数,根据Knudsen准则知,膨胀过程中上游气体从粘滞流过渡到滑移流,且以粘滞流为主,对应的下游气体从分子流逐渐过渡到粘滞流。考虑现有可用商业CFD(Computational Fluid Dynamics)软件无法对气体整个膨胀过程(从100 kPa-100 Pa)在全流域(包含上、下游区域)内进行求解的现状,本研究采用了阻塞流流态近似,且在保证该流态为主导的条件下,计算得到了动态真空标准压力数学关系式。(3)开展了气体膨胀过程的数值模拟研究。在流态判别及阻塞流近似的基础上,对动态真空校准系统几何结构进行相关简化,并采用商业CFD软件COMSOL Multiphysics建立了相应的有限元模型。数值模拟得到了膨胀过程上游室气体流场及温度场分布,并根据数值模拟结果计算了限流小孔流导值、实际气体特性修正因子以及温度变化修正因子。(4)实验验证了理论分析和数值模拟结果的正确性。选用美国INFICON公司生产的型号为CDG045hs,满量程为133 kPa和133 Pa的电容薄膜真空计对压力进行快速测量。结果表明,气体膨胀过程中上游室理论、数值模拟和实测压力均呈指数规律下降,其中,理论值与实测值时间上最大偏差约10 ms,压力值最大偏差为10%;模拟值与实测值时间上最大偏差约5 ms,压力值最大偏差为4.65%。通过开展上述工作,有助于更加深刻地理解动态真空标准压力构建过程,对动态真空校准技术以及稀薄气体非定常流动相关问题的研究具有一定参考价值。