Page 6 - 《真空与低温》2026年第2期

蒋 钊等：PVD 镀膜设备阴极系统均匀布气结构的仿真与实验优化 125

1∶1 的几何模型，气孔数量为 24 个。为补偿压力衰 得到如下结果。
减，按等差数列逐渐缩小孔距。孔距计算公式如下： 图 5 为孔距不变结构流体域模型出口处的气
d n = d 1 −(n−1)∆d(n = 1,2,··· ,N) （1） 体流速分布。可知，气体平均流速在沿布气管传输
式中：d 1 为初始孔距（推荐范围：60～75 mm）；Δd 为 方向上逐渐减小，先流过出口处的气体流速较快，
递减步长；n 为气孔序数；N 为气孔总数。通过有 后流过出口处的流速较慢。气体沿布气管传输过
限元仿真结合迭代算法确定最优 Δd。设定目标为 程中，流速和压力不断衰减，造成相同孔径的出口流
各气孔流速偏差 ⩽5%，仿真中调整 Δd 直至满足流 量沿布气管方向下降。这正是本研究期望通过孔
量均衡条件。 距变化来调节流量以实现出气量一致的原因。还可
图 3 为单管喷嘴型管路的流体域模型。为方 以看到，出口处的气体流动方向是波动的，正对着布
便观察到各段气体流场的分布情况，除建立布气管路 气孔位置的流速大，布气孔中间位置的流速小。下文
内流体域之外，在布气管喷嘴出口位置建立一块长于 将通过增加气体的碰撞混合来实现流速的均匀化。
布气管的流体考察域，以考察气体的流量是否相等。 图 6 为孔距变化结构流体域模型出口处的气

体流速分布。经仿真参数扫描，确定孔距递减步长

布气管 0 −34 −28 为 2 mm。结果显示，改变孔距后，不同出口的平均
0 入口 流速趋于一致，靶面流速均匀性提升至 92%，流场
5
0
−10 分布区域表现出较高的相似度与均匀性，表明孔距
考察域
z −34 −28 z 管道喷嘴 的调整有效改善了气流分布的均匀性。
y x y x

（a）布气管建模模型图 （b）管道喷嘴位置模型图 0.006
0.005
图 3 单管布气流体域模型示意图 0.004
Fig. 3 Schematic diagram of the fluid domain model for the 0.003
single-pipe gas distribution system 0.002
出口气流速度/（m·s −1 ） 0.001
在仿真模型中，设定流体域为等温条件，温度 0
为 25 ℃，流动状态为层流。入口边界采用速度入 −0.001
−0.002
口类型，入口速度为 0.04 m/s，方向垂直于管道端面； −0.003
出口设为压力出口，在考察域的下表面，静压为 −0.004
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
0.5 Pa；其余壁面均设为无滑移绝热边界条件。 气流出口位置/mm
采用四面体单元对流体域进行网格划分，初步
设置网格关联中心为“粗糙”级别。随后对布气孔 图 5 孔距不变结构的出口气体流速分布
Fig. 5 Outlet velocity distribution for constant orifice spacing
区域实施局部加密，最小网格尺寸为 10 mm，并设
定加密区与周围网格为平滑过渡，如图 4 所示。最 0.006
终模型共包含 486 968 个单元与 93 007 个节点，以 0.005
出口气流速度/（m·s −1 ） 0.002 0
保证计算精度。 0.004
0.003

0.001

−0.001
−0.002
−0.003
图 4 网格加密处理 −0.004
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
Fig. 4 Mesh refinement process 气流出口位置/mm

2.2 仿真结果对比 图 6 孔距变化时的出口气体流速分布
针对布气孔孔距不变和孔距变化的两种管路 Fig. 6 Outlet velocity distribution for gradually varying
的流体域模型，分别对其气流分布情况进行模拟， orifice spacing