مطالعۀ آزمایشگاهی عملکرد رادیومتر کروکس

علوم کاربردی و محاسباتی در مکانیک

مقاله 2، دوره 33، شماره 1 - شماره پیاپی 25، دی 1400، صفحه 17-34   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jacsm.2022.69609.1021

نویسندگان

احسان روحی^{* 1}؛ رضا عرب پور²

¹دانشکدۀ مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد.

²دانشکدۀ مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد

چکیده

  این مقاله به بررسی و مطالعۀ آزمایشگاهی عملکرد پره­های پمپ­های رادیومتریک می­پردازد. یک نمونه از این پمپ­های رادیومتریک، رادیومتر کروکس است که شامل محفظه­ای شیشه­ای شکل است که درون آن خلأ است. داخل این محفظۀ شیشه­ای پره­هایی برروی یک سوزن قرار دارند. یک طرف از این پره­ها به‌صورت براق و سمت دیگر به‌صورت تیره هستند. در این پژوهش برای اولین‌بار مکانیزمی برای تعیین دما به‌صورت مستقیم از روی پره­های سرد و گرم درنظر گرفته شده‌است. مشاهده می­شود که نیروی اندازه­گیری‌شده با اختلاف دمای میان دو سر پره متناسب است و این تناسب به‌صورت خطی است؛ اما این ارتباط تنها تا بیشینۀ اختلاف دما صادق است. سرعت زاویه­ای پره­ها نیز توسط یک تاکومتر لیزری اندازه‌گیری شده‌است. برای محاسبۀ نیرو از سرعت اندازه‌گیری‌شده استفاده شده‌است. این مطالعه در سه بخش صورت گرفته‌است. بخش اول (آزمایشگاهی)  ساخت یک نمونه رادیومتر کروکس است. بخش دوم شامل مطالعه و بازخوانی تحلیل جریان رادیومتریک و تئوری­های مربوط به نیروی رادیومتریک می­باشد و در بخش سوم مقایسۀ نتایج آزمایشگاهی و تئوری­های موجود در قسمت آزمایشگاهی انجام شده‌است. این آزمایش در چهار فشار کاری 30 pa، 6 pa، 0.6pa، و 0.06 pa انجام شده‌است. هر فشار به‌ترتیب نمایندۀ اعداد نودسن 0.05، 0.1، 1 و 10 و یک رژیم جریان است. بیشینۀ نیرو­ها در فشار 6 pa و بیشینۀ سرعت در فشار 0.6 pa مشاهده شد که با داده­های تئوری تطابق خوبی دارد.

کلیدواژه‌ها

جریان رقیق‌شده؛ جریان رادیومتریک؛ پمپ‌های رادیومتریک؛ رادیومتر کروکس

مراجع

1. Sone, "Molecular gas Dynamics, Theory, Techniques, and Applications", Springer Science & Business Media, (2007).
2. Kennard, E. H., "Kinetic Theory of Gases, with an Introduction to Statistical Mechanics", New York: McGraw-Hill, (1938).
3. Sone, "Thermal Creep in Rarefied Gas", Journal of the Physical Society of Japan, Vol. 21, pp. 1836-1837, )1966(.
4. Ohwada, Y. Sone, and K. Aoki, "Numerical Analysis of the Shear and Thermal Creep Flows of a Rarefied Gas over a Plane Wall on the Basis of the Linearized Boltzmann Equation for Hard-Sphere Molecules", Physics of Fluids A: Fluid Dynamics, Vol. 1, pp. 1588-1599, (1989).
5. Akhlaghi, H., Balaj, M., Roohi, E., "Hydrodynamic Behavior of Micro/Nanoscale Poiseuille Flow under Thermal Creep Condition", Applied Physics Letters, 103, 073108 (2013).
6. Mohammadzade, A., Struchtrup, H., "Velocity Dependent Maxwell Boundary Conditions in DSMC", International Journal of Heat and Mas Transfer, 87, pp. 151-160, (2015).
7. Kogan, M. N., Galkin, V. S., Fridlender, O. G., "Stresses Produced in Gasses by Temperature and Concentration in Homogeneities", New types of free convection. Physics-Uspekhi, Vol. 19, No. 5, pp. 420-428, (1976).
8. Sone, Y., Tanaka, S., "Thermal Stress Slip flow Induced in Rarefied Gas between Non Coaxial Circular Cylinders", In Theoretical and Applied Mechanics, Vol. 1, pp. 405-416, (1980).
9. Sone, Y., "Flows Induced by Temperature Fields in a Rarefied Gas and their Ghost Effect on the Behavior of a Gas in the Continuum Limit", Annual review of fluid mechanics, Vol. 32, pp. 779-811, (2000).
10. RafieeNasab, S., Roohi, E., Teymourtash, A., "Numerical Analysis of Nonlinear Thermal Stress Flow between Concentric Elliptical Cylinders", Physics of Fluids, 32, 102007, )2020(.
11. Aoki, Y. Sone, and T. Yamada, "Numerical analysis of gas flows condensing on its plane condensed phase on the basis of kinetic theory", Physics of Fluids A: Fluid Dynamics, Vol. 2, No. 10, pp. 1867-1878, (1990).
12. Lotfian, A., Roohi, E., "Radiometric Flow in Periodically Patterned Channels: Fluid Physics and Improved Configurations", Journal of Fluid Mechanics, Vol. 860, pp. 544-576, (2019).
13. Crookes, W., "On Attraction and Repulsion Resulting from Radiation, Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 164, pp. 501-527, (1874).
14. روحی گل خطمی، احسان، « مکانیک سیالات در ابعاد میکرو و نانو»، انتشارات دانشگاه فردوسی مشهد، 1399.
15. Crookes, W., "On Attraction and Repulsion Resulting from Radiation", Parts III & IV. Philosophical transactions of the Royal society of London, 166, pp. 325-376, (1876).
16. Bennet, A., "A New Suspension of the Magnetic Needle Invented for the Discovery of Minute Quantities of Magnetic Attraction", Philosophical transactions of the Royal society of London, Vol. 82, pp. 81-82, (1792).
17. Fresnel, A., "Note Sur la Repulsion que des Corps Chauffs Execent sur les Autres des Distances Sensibles", Annales de Chimie et de Physique, Vol. 29, pp. 57-62, (1825).
18. West, G.D., "On the Forces Acting on Heated Metal Foil Surfaces in Rarefied Gases", Proceedings of the Physical Society of London, 32, pp. 166-189, (1920).
19. West G.D., "A Modified Theory of the Crookes Radiometer", Proceeding of the Physical Society of London, 32, pp. 222-231, (1920).
20. Ketsdever, A., Gimelshein, N., Gimelshein, S. and Selden, N., "Radiometric Phenomena: From the 19^th to the 21^st Century", Vacuum, Vol. 86, pp. 1644-1662, (2012).
21. Einstein, A., "Zur Theorie der Radiometrerkrafte", Zeitschrift fur Physik, 27, pp. 1-5, (1924).
22. Sexl, T., "The Theory of Radiometer Effects II", Annalen der physic,Vol. 81, pp. 800-806, (1926).
23. Rosenblatt, P., LaMer, V.K., "Motion of a Particle in a Temperature Gradient; Thermal Repulsion as a Radiometer Phenomenon", Phys Rev 1, Vol. 70, No. 5-6, 385-395, (1946).
24. Schuster, A., "On the Nature of the Force Producing the Motion of a Body Exposed to Rays of Heat and Light", Proceedings of the Physical Society of London, Vol. 24, pp. 391-392, (1875).
25. Brüche, E., Littwin, W., "Experimental Contributions to the Radiometer Question", Zeitschrift fur Physik, Vol. 52, pp. 318-335, (1928).
26. Selden, N., "Experimental Study of Radiometric Forces with Comparison to Computational Results", PhD thesis, University of Southern California, )2009(.
27. Taguchi, S., Aoki, K., "Motion of an Array of Plates in a Rarefied Gas Caused by Radiometric Force", Physical Review E, Vol. 91, No. 6, pp. 063007, (2015).
28. Wang, X., Su, T., Zhang, W., Zhang, Z., Zhang, S., "Knudsen Pumps: A Review, Microsyst", Nanoeng, Vol. 6, No. 1, pp. 1–28, )2020(.
29. Lotfian, A., Roohi, E., "Binary Gas Mixtures Separation Using Micro-Scale Radiometric Pumps", International Communication in Heat and Mass Transfer, 121C, 105061, )2021(.
30. Wang, X., Zhang, W., Su, T., Zhang, Z., & Zhang, S., "Gas-Surface Interaction Effects on Rarefied Gas Flows Around Microbeams Induced by Temperature Fields", International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 172, pp. 121186, (2021).
31. Zeng, D., Cai, R., & Yang, Y., "Rarefied Gas Flow Around a Double-Plate Induced by Temperature Difference", Advances in Space Research, in Press, )2021(.
32. Scandurra M, Iacopetti F, Colona P., "Gas Kinetic Forces on Thin Plates in the Presence of Thermal Gradients", Phys Rev E,75:026308, (2007).
33. Selden N, Ngalande C, Gimelshein N, Gimelshein S, Ketsdever A., "Origins of Radiometric Forces on a Circular Vane with a Temperature Gradient", Journal Fluid Mech, 634: 419e31, (2009).
34. Barlow, J, B., Rae, W, h., Pope, A., "Low-Speed Wind Tunnel Testing", 3rd ed. Wiley-Interscience Publication, (1999).