气体沿真空管道的流动状态的几种基本形式

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)http://www.sojiaren.com/ 作者:秀佳人

  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qv(m3/s)。在气体压力为p的截面上,qv与qm、qγ的关系为

qm = pM/RT·qv 和 qv = p/RT·qv

  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·qv

  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 = p1qv1 =p2qv2 =piqvi

  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。

  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

1/C = 1/C1+1/C2+…+1/Cn

  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

Se = (S·C)/(S+C)

  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。

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