气体沿真空管道的流动状态的几种基本形式

2013-05-29 秀佳人 http://www.sojiaren.com/

　　气体沿真空管道的流动的基本形式根据其流动状态分为湍流、粘滞流、过渡流、分子流等。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)发布此文主要讲述了这几种流动状态的判断方法以便大家参考。

　　当真空管道两端存在有压力差时，气体就会自动地从高压处向低压处扩散，便形成了气体流动。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，气体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远远大于管道最小尺寸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进行，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，介于粘滞与分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：

粘滞流 λ/d<1/100　　 pd>1Pa·m

中间流 1/100<λ/d<1/3　　 0.03Pa·m＜pd＜1Pa·m

分子流 λ/d<1/3　　 pd<0.03Pa·m

　　为了考察管道中流过的气体数量的多少，可以使用气体的质量流率q_m(kg/s)和摩尔流率q_v(mol/s)，即单位时间内通过管道某一截面的气体质量和气体摩尔数。不过这两种流率不便实际测量，因此工程中广泛使用的是单位时间内流过管道指定截面的气体体积，即体积流率q_v(m³/s)。在气体压力为p的截面上，q_v与q_m、q_γ的关系为

q_m = pM/RT·qv 和 q_v = p/RT·q_v

　　在真空泵入口处的气体体积流率又称为泵的抽气速率(简称抽速)，是真空泵的重要性能指标之一。由于在不同压力下，相同的体积流率对应有不同的质量流率，所以在计算体积流率量值时，必须指明所对应的气体压力。

　　为了更方便地计算流过气体的多少，工程中还定义气体的压力与其体积的乘积为气体量G(Pa·m³=J)，即G=pV;单位时间内流过指定横截面的气体量为流量qG=dG/dt(Pa·m³/s=J/s);在任一指定截面上，气体流量、压力和抽速间的关系为

qG = p·q_v

　　在稳定流动状态下，即管道各截面处的气体压力不随时间变化时，根据质量守恒原理，真空系统任一截面上的气体质量流率qm相等，若整个系统中各处温度相同，则化为流量连续方程，即各截面上的气体流量相等。

qG = p₁q_v1 =p₂qv₂ =p_iq_vi

　　如果气体流动过程中温度有变化，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。

　　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。