真空系统设计（真空中气体的流动状态及判别）

真空系统是指由真空泵、真空计及各种零件通过管道以适当的方式联接，组合成能达到一定真空度要求的装置。真空系统的基本要求是都有哪些？

4.1气体流动的基本状态
当真空管道中的气体内部存在压力差时，气体就会由压力高处向乐力低处流动。在真空管道中气体流动可分为三种基本的流动状态:湖流(素流)、黏滞流(层流)和分子流。气体从种状态转变为另一种状态时，存在者过渡区域(过渡流态)，称为湍黏滞流(惯性流和惯性黏滞流)和黏滞-分子流。
4.1.1湍流
当真空管道中气体的压力和流速较高时，气流呈现湍流。湍流的流线无规则，气流中的旋涡交替出现和消失，气体流动处于不稳定状态。在湍流中，流场中各质点的速度随时间而变化，因而由加速度之生的惯性力对气体流动起主导作用。由于湍流仅仅发生于真空系统工作之初，而且持续的时间很短，因此--般在真空系统的设计计算中很少考虑。
4.1.2黏滞流
当真空管道中气体的压力和流速逐渐降低后，气体流动变为各部分具有不同速度的流动层，流线随者管道形状的变化而变化。如图4.1所示，在黏滞流中，圆形管道截面上的径向速度分布符合抛物线规律，对其研究可采用经典流体力学方法。
管道中半径为r处的流速u为:

式中，P、P2为管道两端的气体压力:L为管道长度:R为管道半径:”为内摩擦系数;r为距管中心线的距离。

图4-1黏滞流态下圆形管道截面上的速度分布
在管道中，r不同，流速也不同，不同流速的流层之间具有内摩擦力，该力与气体的黏滞系数成比例。在黏滞流中，由气体黏性引起的内摩擦力起主导作用。
黏滞流态下的真空管道的气体流量可由泊肃叶(Pieuille)公式计算:

式中，D为管道直径;P为管道中气体的平均压力;P1、P2为管道两端气体压力;L为管道长度;η为内摩擦系数。
实验发现，泊肃叶公式在气体压力为667~30664Pa范围内与实
验结果有非常好的重合性，而在其他压力范围内时则存在偏差。这是
因为当压力高于30664Pa时，实际气体特性与黏滞流气体有较大差
别，而当气体压力低于667Pa时，气体在管道壁附近产生滑动现象，
此时的实际流量比用式(4-2)计算出来的值要大。
4.1.3分子流
随着真空管道中的气体压力进一步降低，气体黏滞流的特性逐渐消失。当管道中的气体压力进一步降低到气体分子的平均自由程大于管道的直径时，气体分子之间很少发生碰撞，其碰撞达到可以忽略的程度，此时可近似认为气体分子只与管壁发生碰撞，气体的流动靠管道内的分子密度梯度推动进行，气流是大量分子单独运动的综合效果。对其研究可采用统计力学的方法。在分子流状态下，当运动的气体分子碰(落)到管壁上时，并不立即弹性反射离去，而是在管壁上停留一段时间后再飞离，而且E离后的运动状态不受飞来时的运动状态影响，与碰壁时的运动状态无关，这种现象称为漫反射，这是分子流态气体分子运动的重要特性。
如果真空管道中的气体处于分子流状态，当管道人口压力为P1和出口压力为p2时，管道中必然存在气体分子从人口向出口运动的正向气流，同时又存在“个从出口向人口的反向气流，则通过管道的气体净流量为两者流量之差。真空管道中的分子流态气体流量由克努森()给出的公式计算:

式中，ρ1为单位压力下气体的密度;D为真空管道直径;L为管道长度;P1、P2分别为管道的人口压力和出口压力。
4.1.4黏滞-分子流(过渡流)
黏滞-分子流是处于黏滞流和分子流之间的一种中间流动状态。对其研究尚缺乏系统的气体流动理论，目前多采用对现有理论的修正或采用半经验公式计算。
克努森()根据圆截面管道实验，提出在黏滞分子流态下真空管道中的气体流量计算的半经验公式:

式中，Q,为黏滞流流量;Qm为分子流流量;其余符号意义同式(4-2)、式(4-3)。
由式(4-4)的b可知，当p很小时，b≈1，因此时Q、bQm，则Q≈Qm，此时式(4-4)为分子流流量公式;当p较大时，b≈0.8,此时Q、bQm,所以Q≈Qv，式(4-4)为黏滞流流量公式。因此，式(4-4)可作为气体流量的通用公式，适用于三种流态流量的计算。
上述四种气体流动状态的主要特点及流量公式见表4-1。

表4-1气体流动状态特点与流量
注:下、D分别是管道半径与直径;L为管道的长度;η为气体的黏性系数;ρ=μRT为单位压力下的气体密度;μ为气体的相对分子质量;T为气体的绝对温度;R为气体的普适常数;P1、P2分别是管道人口和出口的压力;P为管中的平均压力;λ为气体分子自由程。