Simulazione Monte Carlo di flussi di gas rarefatti per applicazioni alle tecniche del vuoto

The aim of this thesis is the study of rarefied gas flows for applications in vacuum technology. In particular, we have simulated, with a Monte Carlo method, gas flows around some typical geometries of devices used in the production of vacuum, as non-evaporative getters and cryogenic pumps. Bi-dimensional infinite plates, bi-dimensional arrays of infinite plates and axisymmetric arrays of discs have been considered. The behavior of the absorbed flux varying the sticking coefficient of the material and the degree of rarefaction of the gas (varied from the free molecular flow condition to the near continuum condition) has been studied. Moreover, the influence of the geometrical parameters of the array has been analyzed. It is shown that, in the case of a single plate, the absorbed flux decreases with increasing Kn. In the case of an array of plates (discs) the absorbed flux per unit length increases with increasing ratio between the plates' length and the spacing between plates, for various degrees of rarefaction.

Questo lavoro di tesi ha come argomento flussi di gas rarefatti per applicazioni alle tecniche del vuoto. In particolare si sono simulati con metodo Monte Carlo flussi di gas con vari gradi di rarefazione, attorno ad alcune geometrie tipiche di materiali utilizzati nella produzione del vuoto, come getters non evaporativi o pompe criogeniche. Le geometrie analizzate consistono di lastre bidimensionali infinite, sia singole che accostate a formare arrays, e arrays di dischi coassiali. Si è valutato in particolare l’andamento del flusso assorbito in funzione, oltre che del coefficiente di sticking del materiale, del grado di rarefazione del gas (variato dalle condizioni di flusso molecolare libero fino a regimi prossimi al limite di validità delle equazioni idrodinamiche) e dei parametri geometrici dell’array. In quest’ultimo caso si è valutata l’influenza del rapporto tra la dimensione delle lastre o dei dischi costituenti l’array e la distanza a cui vengono posti. Il modello di interazione tra le particelle del gas è quello di sfere rigide mentre il modello utilizzato per l’interazione gas superficie è la diffusione completa. Si è mostrato come nel caso di lastra piana bidimensionale il flusso assorbito aumenti al diminuire del numero di Kn. Il flusso assorbito per unità di lunghezza dell’array risulta crescere all’aumentare del rapporto tra la dimensione della lastra/disco e la spaziatura tra le lastre/dischi per vari gradi di rarefazione.