氣體沿真空管道的流動狀態的幾種基本形式

2013-05-29 秀佳人 http://www.sojiaren.com/

　　氣體沿真空管道的流動的基本形式根據其流動狀態分為湍流、粘滯流、過渡流、分子流等。真空技術網(http://smsksx.com/)發布此文主要講述了這幾種流動狀態的判斷方法以便大家參考。

　　當真空管道兩端存在有壓力差時，氣體就會自動地從高壓處向低壓處擴散，便形成了氣體流動。任何真空系統都是由氣源(待抽容器)、系統構件(管道閥門等)及抽氣裝置(真空泵)組成的，氣體從氣源經過系統的構件向抽氣口源源不斷地流動，是動態真空系統的普遍特點。

　　真空技術中，氣體沿管道的流動狀態可劃分為如下幾種基本形式：

　　從大氣壓力下開始抽真空的初期，管道中氣體壓力和流速較高，氣體的慣性力在流動中起主要作用，流動呈不穩定狀態，流線無規則，并不時有旋渦出現，這種流動狀態稱為湍流(渦流，紊流);

　　隨著流速和氣壓的降低，在低真空區域內，氣流由湍流變成規則的層流流動，各部分具有不同速度的流動層，流線平行于管軸，氣體的粘滯力在流動中起主導作用，此時氣體分子的平均自由程λ仍遠小于導管最小截面尺寸d，這種流態叫做粘滯流;

　　當氣體流動進入高真空范圍，分子平均自由程λ遠遠大于管道最小尺寸d時，氣體分子與管壁之間的碰撞占居主要地位，分子靠熱運動自由地直線進行，只發生與管壁的碰撞和熱反射而飛過管道，氣體流動由各個分子的獨立運動疊加而成，這種流動稱作分子流;

　　發生在中真空區域內，介于粘滯與分子流之間的流動狀態叫做中間流或過渡流;

　　在不同的流動狀態下，管道中的氣體流量和導氣能力計算方法不同，因此在氣體流動計算時，首先要進行流態判別。由于在真空抽氣過程中湍流的出現時間較短，常常不加以單獨考慮，而是將其歸入粘滯流態。其它流動狀態的判別可用克努曾數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：

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

分子流 λ/d<1/3　　 pd<0.03Pa·m

　　為了考察管道中流過的氣體數量的多少，可以使用氣體的質量流率q_m(kg/s)和摩爾流率q_v(mol/s)，即單位時間內通過管道某一截面的氣體質量和氣體摩爾數。不過這兩種流率不便實際測量，因此工程中廣泛使用的是單位時間內流過管道指定截面的氣體體積，即體積流率q_v(m³/s)。在氣體壓力為p的截面上，q_v與q_m、q_γ的關系為

q_m = pM/RT·qv 和 q_v = p/RT·q_v

　　在真空泵入口處的氣體體積流率又稱為泵的抽氣速率(簡稱抽速)，是真空泵的重要性能指標之一。由于在不同壓力下，相同的體積流率對應有不同的質量流率，所以在計算體積流率量值時，必須指明所對應的氣體壓力。

　　為了更方便地計算流過氣體的多少，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;單位時間內流過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、壓力和抽速間的關系為

qG = p·q_v

　　在穩定流動狀態下，即管道各截面處的氣體壓力不隨時間變化時，根據質量守恒原理，真空系統任一截面上的氣體質量流率qm相等，若整個系統中各處溫度相同，則化為流量連續方程，即各截面上的氣體流量相等。

qG = p₁q_v1 =p₂qv₂ =p_iq_vi

　　如果氣體流動過程中溫度有變化，例如流過冷卻器后溫度由T₁降至T₂，則對應的流量

qG₁/T₁=qG₂/T₂

　　實驗說明，氣體流過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)

　　式中的比例系數C具有體積流率的量綱(m³/s)，它所反映的是管道允許流過氣體能力的大小，定義為該段管道的流導。

　　流導是各種真空系統元件(管道、閥們、冷阱、孔口等)的主要技術指標之一，直接反映該元件對氣體流動的阻礙程度，是真空系統計算中需要首先計算的參數。元件的流導與所流過氣體的流動狀態有關，氣體流動為粘滯流時，流導值與元件的幾何結構尺寸及流過氣體的平均壓力有關;為分子流時，流導僅與幾何結構尺寸有關。