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正航儀器簡單介紹氣體流動
2015-8-7 來源：正航儀器 作者：小曾 閱讀：次
正航儀器簡單介紹氣體流動
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(tǒng)都是由氣源(待抽容器)、系統(tǒng)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(tǒng)的構件向抽氣口源源不斷地流動，是動態(tài)真空系統(tǒng)的普遍特點。
真空技術中，氣體沿管道的流動狀態(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中起主要作 用，流動呈不穩(wěn)定狀態(tài)，流線無規(guī)則，并不時有旋渦出現，這種流動狀態(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，氣流由湍流變成規(guī)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(tài)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(fā)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(fā)生在中真空區(qū)域內，介于粘滯與分子流之間 的流動狀態(tài)叫做中間流或過渡流。
在不同的流動狀態(tài)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(tài)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(tài)。其它流動狀態(tài)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 (27)
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qm(kg／s)和摩爾流率qv(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qv(m3／s)。在氣體壓力為p的截面上，qv與qm、qγ的關系為
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·qv (29)
在穩(wěn)定流動狀態(tài)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(tǒng)任一截面上的氣體質量流率qm相等，若整個系統(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) (31)
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(tǒng)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(tǒng)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(tài)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。
根據組成真空系統(tǒng)的需要，有時將幾個真空元件(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)后元件的總流導等于各分支流導之和
C=C1+C2+…+Cn (32)
有時將幾個元件首尾順序聯(lián)接，稱為元件的串聯(lián)，串聯(lián)后元件的總流導的倒數等于各元件流導的倒數之和
1/C = 1/C1+1/C2+…+1/Cn (33)
把一個被抽容器的出口和一臺真空泵的入口，用總流導為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生的有效抽速Se為
Se = (S·C)/(S+C) (34)
此式習慣上稱為真空技術基本方程。從中可以看出，在被抽容器出口產生的有效抽速Se，比泵口抽速S和管路流導C都要��；若要獲得較大的Se，應該合理地搭配S和C，單獨增大其中的一個，不能獲得理想的結果。
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