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正航儀器簡(jiǎn)單介紹氣體流動(dòng)
2015-8-7 來(lái)源：正航儀器 作者：小曾 閱讀：次
正航儀器簡(jiǎn)單介紹氣體流動(dòng)
當(dāng)真空管道兩端存在有壓力差時(shí)，氣體就會(huì)自動(dòng)地從高壓處向低壓處擴(kuò)散，便形成了氣體流動(dòng)。任何真空系統(tǒng)都是由氣源(待抽容器)、系統(tǒng)構(gòu)件(管道閥門(mén)等)及抽氣裝置(真空泵)組成的，氣體從氣源經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的構(gòu)件向抽氣口源源不斷地流動(dòng)，是動(dòng)態(tài)真空系統(tǒng)的普遍特點(diǎn)。
真空技術(shù)中，氣體沿管道的流動(dòng)狀態(tài)可劃分為如下幾種基本形式：從大氣壓力下開(kāi)始抽真空的初期，管道中氣體壓力和流速較高，氣體的慣性力在流動(dòng)中起主要作 用，流動(dòng)呈不穩(wěn)定狀態(tài)，流線(xiàn)無(wú)規(guī)則，并不時(shí)有旋渦出現(xiàn)，這種流動(dòng)狀態(tài)稱(chēng)為湍流(渦流，紊流)；隨著流速和氣壓的降低，在低真空區(qū)域內(nèi)，氣流由湍流變成規(guī)則 的層流流動(dòng)，各部分具有不同速度的流動(dòng)層，流線(xiàn)平行于管軸，氣體的粘滯力在流動(dòng)中起主導(dǎo)作用，此時(shí)氣體分子的平均自由程λ仍遠(yuǎn)小于導(dǎo)管最小截面尺寸d，這 種流態(tài)叫做粘滯流；當(dāng)氣體流動(dòng)進(jìn)入高真空范圍，分子平均自由程λ遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管道最小尺寸d時(shí)，氣體分子與管壁之間的碰撞占居主要地位，分子靠熱運(yùn)動(dòng)自由地直 線(xiàn)進(jìn)行，只發(fā)生與管壁的碰撞和熱反射而飛過(guò)管道，氣體流動(dòng)由各個(gè)分子的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)疊加而成，這種流動(dòng)稱(chēng)作分子流；發(fā)生在中真空區(qū)域內(nèi)，介于粘滯與分子流之間 的流動(dòng)狀態(tài)叫做中間流或過(guò)渡流。
在不同的流動(dòng)狀態(tài)下，管道中的氣體流量和導(dǎo)氣能力計(jì)算方法不同，因此在氣體流動(dòng)計(jì)算時(shí)，首先要進(jìn)行流態(tài)判別。由于在真空抽氣過(guò)程中湍流的出現(xiàn)時(shí)間較短，常常不加以單獨(dú)考慮，而是將其歸入粘滯流態(tài)。其它流動(dòng)狀態(tài)的判別可用克努曾數(shù)λ/d 或管道中平均壓力p與幾何尺寸d的乘積pd作為判據(jù)：
粘滯流 λ/d＜1/100 pd＞1Pa·m
中間流 1/100＜λ/d＜1/3 0.03Pa·m＜pd＜1Pa·m (27)
分子流 λ/d＜1/3 pd＜0.03Pa·m
為了考察管道中流過(guò)的氣體數(shù)量的多少，可以使用氣體的質(zhì)量流率qm(kg／s)和摩爾流率qv(mol/s)，即單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)管道某一截面的氣體質(zhì)量和氣體摩爾數(shù)。不過(guò)這兩種流率不便實(shí)際測(cè)量，因此工程中廣泛使用的是單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)管道指定截面的氣體體積，即體積流率qv(m3／s)。在氣體壓力為p的截面上，qv與qm、qγ的關(guān)系為
qm = pM/RT·qv 和 qv = p/RT·qv (28)
在真空泵入口處的氣體體積流率又稱(chēng)為泵的抽氣速率(簡(jiǎn)稱(chēng)抽速)，是真空泵的重要性能指標(biāo)之一。由于在不同壓力下，相同的體積流率對(duì)應(yīng)有不同的質(zhì)量流率，所以在計(jì)算體積流率量值時(shí)，必須指明所對(duì)應(yīng)的氣體壓力。
為了更方便地計(jì)算流過(guò)氣體的多少，工程中還定義氣體的壓力與其體積的乘積為氣體量G(Pa·m3=J)，即G=pV；單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)指定橫截面的氣體量為流量qG=dG/dt(Pa·m3／s=J/s)；在任一指定截面上，氣體流量、壓力和抽速間的關(guān)系為
qG = p·qv (29)
在穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下，即管道各截面處的氣體壓力不隨時(shí)間變化時(shí)，根據(jù)質(zhì)量守恒原理，真空系統(tǒng)任一截面上的氣體質(zhì)量流率qm相等，若整個(gè)系統(tǒng)中各處溫度相同，則化為流量連續(xù)方程，即各截面上的氣體流量相等。
qG = p1qv1 =p2qv2 =piqvi (30)
如果氣體流動(dòng)過(guò)程中溫度有變化，例如流過(guò)冷卻器后溫度由T1降至T2，則對(duì)應(yīng)的流量qG1／T1=qG2／T2
實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，氣體流過(guò)一段真空管道的流量qG與管道兩端的壓力差p1-p2成正比，即有
qG=C·(p1-p2) (31)
式中的比例系數(shù)C具有體積流率的量綱（m3/s)，它所反映的是管道允許流過(guò)氣體能力的大小，定義為該段管道的流導(dǎo)。
流導(dǎo)是各種真空系統(tǒng)元件（管道、閥們、冷阱、孔口等）的主要技術(shù)指標(biāo)之一，直接反映該元件對(duì)氣體流動(dòng)的阻礙程度，是真空系統(tǒng)計(jì)算中需要首先計(jì)算的參數(shù)。元 件的流導(dǎo)與所流過(guò)氣體的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，氣體流動(dòng)為粘滯流時(shí)，流導(dǎo)值與元件的幾何結(jié)構(gòu)尺寸及流過(guò)氣體的平均壓力有關(guān)；為分子流時(shí)，流導(dǎo)僅與幾何結(jié)構(gòu)尺寸有 關(guān)。
根據(jù)組成真空系統(tǒng)的需要，有時(shí)將幾個(gè)真空元件(如管道)的入口和出口分別聯(lián)接在一起，稱(chēng)為元件的并聯(lián)，并聯(lián)后元件的總流導(dǎo)等于各分支流導(dǎo)之和
C=C1+C2+…+Cn (32)
有時(shí)將幾個(gè)元件首尾順序聯(lián)接，稱(chēng)為元件的串聯(lián)，串聯(lián)后元件的總流導(dǎo)的倒數(shù)等于各元件流導(dǎo)的倒數(shù)之和
1/C = 1/C1+1/C2+…+1/Cn (33)
把一個(gè)被抽容器的出口和一臺(tái)真空泵的入口，用總流導(dǎo)為C的真空管路聯(lián)接起來(lái)，若真空泵在其入口處的抽速為S，則該真空系統(tǒng)在被抽容器出口處所能產(chǎn)生的有效抽速為S，則該真空系統(tǒng)在被抽容器出口處所能產(chǎn)生的有效抽速Se為
Se = (S·C)/(S+C) (34)
此式習(xí)慣上稱(chēng)為真空技術(shù)基本方程。從中可以看出，在被抽容器出口產(chǎn)生的有效抽速Se，比泵口抽速S和管路流導(dǎo)C都要小；若要獲得較大的Se，應(yīng)該合理地搭配S和C，單獨(dú)增大其中的一個(gè)，不能獲得理想的結(jié)果。
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