第二讲： 真空物理基础(7)
张世伟
(东北大学)
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 (27)
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 (28)
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 (29)
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 (30)
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) (31)
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。
收藏此帖
