真空状态下气体流动

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　　真空技术中，气体沿管道的流动状态可划分为如下几种基本形式：从大气压力下开始抽真空的初期，管道中气体压力和流速较高，气体的惯性力在流动中起主要作用，流动呈不稳定状态，流线无规则，并不时有旋涡出现，这种流动状态称为湍流(涡流，紊流);随着流速和气压的降低，在低真空区域内，气流由湍流变成规则的层流流动，各部分具有不同速度的流动层，流线平行于管轴，气体的粘滞力在流动中起主导作用，此时气体分子的平均自由程λ仍远小于导管最小截面尺寸d，这种流态叫做粘滞流;当气体流动进入高真空范围，分子平均自由程λ远远大于导管最小尺寸d时，气体分子与管壁之间的碰撞占居主要地位，分子靠热运动自由地直线前进，只发生与管壁的碰撞和热反射而飞过管道，气体流动由各个分子的独立运动叠加而成，这种流动称作分子流;发生在中真空区域内，介于粘滞流与分子流之间的流动状态叫做中间流或过渡流。

　　四种流态的示意图。四种流态示意图.doc

　　在不同的流动状态下，管道中的气体流量和导气能力计算方法不同，因此在气体流动计算时，首先要进行流态判别。由于在真空抽气过程中湍流的出现时间较短，常常不加以单独考虑，而是将其归入粘滞流态。其它流动状态的判别可用克努曾数λ/d或管道中平均压力p与几何尺寸d的乘积pd作为判据：

　　粘滞-分子流

　　实验说明，气体流过一段真空管道的流量Qg与管道两端的压力差P1-P2成正比，即有

　　Qg=C·(P1-P2)

　　式中的比例系数C具有体积流率的量纲(m3/s)，它所反映的是管道允许流过气体能力的大小，定义为该段管道的流导。其值为单位压差下的流经管道的气流量大小。

　　流导是各种真空系统元件(管道、阀门、冷阱、孔口等)的主要技术指标之一，直接反映该元件对气体流动的阻碍程度，是真空系统计算中需要首先计算的参数。元件的流导与所流过气体的流动状态有关，气体流动为粘滞流时，流导值与元件的几何结构尺寸及流过气体的平均压力有关;为分子流时，流导仅与几何结构尺寸有关。

　　从上面的判别式可以看出，对于液环真空泵组成的系统，是处于粘滞流状态的。粘滞流下，管道的流导计算公式为：

　　式中，D-管道内径，m;

　　L-管道长度，m;

　　-气体的内摩擦系数，Pa.S;

　　-管内气体的平均压力，Pa。

　　对于20oC的空气，

　　

　　=1.820x10-5Pa.S，带入上式可得：

　　对于其他气体的内摩擦系数可以从有关书籍上查得。

　　根据组成真空系统的需要，有时将几个真空元件(如管道)的入口和出口分别联接在一起，称为元件的并联，并联后元件的总流导等于各分支流导之和。

　　C=C1+ C2+……+ Cn

　　有时将几个元件首尾顺序联接，称为元件的串联，串联后元件的总流导的倒数等于各元件流导的倒数之和

　　管道的串并联示意图。 串并联示意图.doc

　　把一个被抽容器的出口和一台真空泵的入口，用总流导为C的真空管路联接起来，若真空泵在其入口处的抽速为S，则该真空系统在被抽容器出口处所能产生的有效抽速Se为：

　　此式习惯上称为真空技术基本方程。从中可以看出，在被抽容器出口产生的有效抽速Se，比泵口抽速S和管路流导C都要小;若要获得较大的Se，应该合理地搭配S和C，单独增大其中的一个，不能获得理想的结果。抽速示意图。

　　我们看一个例子。

　　对20oC的空气抽真空时，2BV2 061-0HC0真空泵入口管道直径为25mm，如果在工作液温度为15oC，泵的转速为1450rpm，在泵入口压力为50mbar下的抽速为20.7m3/h。如果在泵与容器间的连有20m长的管道。该泵在容器出气口所能够达到的抽速为19.1m3/h。

　　计算过程。流导的计算.doc

　　管道上的阀门，弯头等对气流的阻碍作用比直管道更大;在真空系统中，一般要求管道短粗，要避免管道又细又长，因为细长管道流导小，对气流的阻碍大，也使得真空泵的抽速下降大。