氣體的流動(dòng)

2008-09-05

    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   (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(shù)量的多少,可以使用氣體的質(zhì)量流率qm(kg/s)和摩爾流率qv(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qv(m3/s)。在氣體壓力為p的截面上,qv與qm、qγ的關(guān)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(biāo)之一。由于在不同壓力下,相同的體積流率對應(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·qv         (29)
    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 = p1qv1 =p2qv2 =piqvi         (30)
    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,則對應(yīng)的流量qG1T1=qG2T2
    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)         (31)
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+…+Cn    (32)
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/Cn    (33)
    把一個(gè)被抽容器的出口和一臺真空泵的入口,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)    (34)
    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;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。

真空物理基礎(chǔ):