氣體沿真空管道的流動(dòng)的基本形式根據(jù)其流動(dòng)狀態(tài)分為湍流、粘滯流、過渡流、分子流等。真空技術(shù)網(wǎng)(http://203scouts.com/)發(fā)布此文主要講述了這幾種流動(dòng)狀態(tài)的判斷方法以便大家參考。

　　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(管道閥門等)及抽氣裝置(真空泵)組成的，氣體從氣源經(jīng)過系統(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)，流線無規(guī)則，并不時(shí)有旋渦出現(xiàn)，這種流動(dòng)狀態(tài)稱為湍流(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)自由地直線進(jìn)行，只發(fā)生與管壁的碰撞和熱反射而飛過管道，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

分子流 λ/d<1/3　　 pd<0.03Pa·m

　　為了考察管道中流過的氣體數(shù)量的多少，可以使用氣體的質(zhì)量流率q_m(kg/s)和摩爾流率q_v(mol/s)，即單位時(shí)間內(nèi)通過管道某一截面的氣體質(zhì)量和氣體摩爾數(shù)。不過這兩種流率不便實(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(guān)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(jiǎn)稱抽速)，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·q_v

　　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 = p₁q_v1 =p₂qv₂ =p_iq_vi

　　如果氣體流動(dòng)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(duì)應(yīng)的流量

qG₁/T₁=qG₂/T₂

　　實(shí)驗(yàn)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(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+…+C_n

　　有時(shí)將幾個(gè)元件首尾順序聯(lián)接，稱為元件的串聯(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/C_n

　　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，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)

　　此式習(xí)慣上稱為真空技術(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。