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正航仪器简单介绍气體(tǐ)流动
2015-8-7 来源：正航仪器 作者：小(xiǎo)曾 阅读：次
正航仪器简单介绍气體(tǐ)流动
当真空管道两端存在有(yǒu)压力差时，气體(tǐ)就会自动地从高压处向低压处扩散，便形成了气體(tǐ)流动。任何真空系统都是由气源(待抽容器)、系统构件(管道阀门等)及抽气装置(真空泵)组成的，气體(tǐ)从气源经过系统的构件向抽气口源源不断地流动，是动态真空系统的普遍特点。
真空技术中，气體(tǐ)沿管道的流动状态可(kě)划分(fēn)為(wèi)如下几种基本形式：从大气压力下开始抽真空的初期，管道中气體(tǐ)压力和流速较高，气體(tǐ)的惯性力在流动中起主要作 用(yòng)，流动呈不稳定状态，流線(xiàn)无规则，并不时有(yǒu)旋涡出现，这种流动状态称為(wèi)湍流(涡流，紊流)；随着流速和气压的降低，在低真空區(qū)域内，气流由湍流变成规则 的层流流动，各部分(fēn)具有(yǒu)不同速度的流动层，流線(xiàn)平行于管轴，气體(tǐ)的粘滞力在流动中起主导作用(yòng)，此时气體(tǐ)分(fēn)子的平均自由程λ仍遠(yuǎn)小(xiǎo)于导管最小(xiǎo)截面尺寸d，这 种流态叫做粘滞流；当气體(tǐ)流动进入高真空范围，分(fēn)子平均自由程λ遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管道最小(xiǎo)尺寸d时，气體(tǐ)分(fēn)子与管壁之间的碰撞占居主要地位，分(fēn)子靠热运动自由地直 線(xiàn)进行，只发生与管壁的碰撞和热反射而飞过管道，气體(tǐ)流动由各个分(fēn)子的独立运动叠加而成，这种流动称作分(fēn)子流；发生在中真空區(qū)域内，介于粘滞与分(fēn)子流之间 的流动状态叫做中间流或过渡流。
在不同的流动状态下，管道中的气體(tǐ)流量和导气能(néng)力计算方法不同，因此在气體(tǐ)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(kě)用(yòng)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作為(wèi)判据：
粘滞流 λ/d＜1/100 pd＞1Pa·m
中间流 1/100＜λ/d＜1/3 0.03Pa·m＜pd＜1Pa·m (27)
分(fēn)子流 λ/d＜1/3 pd＜0.03Pa·m
為(wèi)了考察管道中流过的气體(tǐ)数量的多(duō)少，可(kě)以使用(yòng)气體(tǐ)的质量流率qm(kg／s)和摩尔流率qv(mol/s)，即单位时间内通过管道某一截面的气體(tǐ)质量和气體(tǐ)摩尔数。不过这两种流率不便实际测量，因此工程中广泛使用(yòng)的是单位时间内流过管道指定截面的气體(tǐ)體(tǐ)积，即體(tǐ)积流率qv(m3／s)。在气體(tǐ)压力為(wèi)p的截面上，qv与qm、qγ的关系為(wèi)
qm = pM/RT·qv 和 qv = p/RT·qv (28)
在真空泵入口处的气體(tǐ)體(tǐ)积流率又(yòu)称為(wèi)泵的抽气速率(简称抽速)，是真空泵的重要性能(néng)指标之一。由于在不同压力下，相同的體(tǐ)积流率对应有(yǒu)不同的质量流率，所以在计算體(tǐ)积流率量值时，必须指明所对应的气體(tǐ)压力。
為(wèi)了更方便地计算流过气體(tǐ)的多(duō)少，工程中还定义气體(tǐ)的压力与其體(tǐ)积的乘积為(wèi)气體(tǐ)量G(Pa·m3=J)，即G=pV；单位时间内流过指定横截面的气體(tǐ)量為(wèi)流量qG=dG/dt(Pa·m3／s=J/s)；在任一指定截面上，气體(tǐ)流量、压力和抽速间的关系為(wèi)
qG = p·qv (29)
在稳定流动状态下，即管道各截面处的气體(tǐ)压力不随时间变化时，根据质量守恒原理(lǐ)，真空系统任一截面上的气體(tǐ)质量流率qm相等，若整个系统中各处温度相同，则化為(wèi)流量连续方程，即各截面上的气體(tǐ)流量相等。
qG = p1qv1 =p2qv2 =piqvi (30)
如果气體(tǐ)流动过程中温度有(yǒu)变化，例如流过冷却器后温度由T1降至T2，则对应的流量qG1／T1=qG2／T2
实验说明，气體(tǐ)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(yǒu)
qG=C·(p1-p2) (31)
式中的比例系数C具有(yǒu)體(tǐ)积流率的量纲（m3/s)，它所反映的是管道允许流过气體(tǐ)能(néng)力的大小(xiǎo)，定义為(wèi)该段管道的流导。
流导是各种真空系统元件（管道、阀们、冷阱、孔口等）的主要技术指标之一，直接反映该元件对气體(tǐ)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體(tǐ)的流动状态有(yǒu)关，气體(tǐ)流动為(wèi)粘滞流时，流导值与元件的几何结构尺寸及流过气體(tǐ)的平均压力有(yǒu)关；為(wèi)分(fēn)子流时，流导仅与几何结构尺寸有(yǒu) 关。
根据组成真空系统的需要，有(yǒu)时将几个真空元件(如管道)的入口和出口分(fēn)别联接在一起，称為(wèi)元件的并联，并联后元件的总流导等于各分(fēn)支流导之和
C=C1+C2+…+Cn (32)
有(yǒu)时将几个元件首尾顺序联接，称為(wèi)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
1/C = 1/C1+1/C2+…+1/Cn (33)
把一个被抽容器的出口和一台真空泵的入口，用(yòng)总流导為(wèi)C的真空管路联接起来，若真空泵在其入口处的抽速為(wèi)S，则该真空系统在被抽容器出口处所能(néng)产生的有(yǒu)效抽速為(wèi)S，则该真空系统在被抽容器出口处所能(néng)产生的有(yǒu)效抽速Se為(wèi)
Se = (S·C)/(S+C) (34)
此式习惯上称為(wèi)真空技术基本方程。从中可(kě)以看出，在被抽容器出口产生的有(yǒu)效抽速Se，比泵口抽速S和管路流导C都要小(xiǎo)；若要获得较大的Se，应该合理(lǐ)地搭配S和C，单独增大其中的一个，不能(néng)获得理(lǐ)想的结果。
