真空系统设计（流动状态的判别）

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？

4.2流动状态的判别

气体在真空管道中的流动状态不同，管道的流导也不样，也就是说，管道对气体的流导不仅取决于管道的几何形状和尺寸，还与管道中流动的气体种类和温度有关，在有的流动状态下还取决于管道中气体的平均压力。所以在计算真空管道对气体的流导时，首先必须判明管道中的气流是哪一种流 动状态。

4.2.1湍流与黏滯 流的判别

气流从湍流向黏滞流的转变，不仅与气体的压力、流速有关，还与管道的尺寸以及气体的黏滞特性有关，可用雷诺数来判别。雷诺数Re的计算表达式为:

式中，Re为雷诺数; D为管道直径; u为气流流速; ρ为气体密度;

η为气体内摩擦系数。

当1200< Re<2200时，则处于黏滞流与湍流之间，其流态由管口条件、管壁状况、是否存在局部流阻的影响来决定。

式中，M为气体分子摩尔质量; Q为气体的流量; R为普适气体常数; T为气体热力学温度; η为气体内摩擦系数; D为管道直径。

对于20C空气，气体流动为湍流或黏滞流的判据为:

式中，Q的单位为Pa. m/s; D的单位为m。

4.2.2 黏滞流与分子流的判别

在低压下，气体分子的平均自由程λ是一一个重要参数。A与流管的直径D之比称为克努森数，可用克努森数来判别气体的流动状态。

M. Knudsen对分子流态进行研究后得出，当λ >D/3时，分子流气体流量公式(4-3)成立。据此，克努森的判别式为:

道内流态的判别式:

式中，k为玻耳兹曼常数; σ为气体分子的有效直径; P为管道内气体的平均压力。

如果要判断管道中某截面处的流态， 则将式(4- 10) 中的平均压力换成该截面处的气体压力。

目前，国内外多数学者推荐计算误差更小的克努森判别式为:

4.3气体流态判别例题

例:使用抽速为S=8L/s,泵入口内径为40mm的机械泵对某一真空室在大气压下开始抽气，真空室内气体为20的空气。判断真空管道内的压力多大时为湍流?多大时为黏滞流?多大时为分子流?解:抽气时，管道中的气流量为:

把Q及D=0.04m代人黏滞流态气体流量泊肃叶公式(式4-2)，

解得:

当p> 13250Pa时，真空管道内为湍流;

当p<7200Pa时，真空管道内为黏滞流;

当7200Pa <p< 13250Pa时，真空管道内为湍黏滞流。

把Q及D=0.04m代人分子流态气体流量克努森公式(式4-12)，解得:

p>16.625Pa时，真空管道内为黏滞流

p<0.16625Pa时，真空管道内为分子流

0.16625Pa <p< 16.625Pa时，真空管道内为黏滞-分子流

综合上述，真空管道内的压力从大气压~ 13250Pa为湍流流态;管道内压力为7200 ~ 16. 625Pa时为黏滞流流态;当管道内的压力低于0.16625Pa时，管道内为分子流流态。

在例题计算中涉及到的管道压力应为管道的平均压力，但是因为真空泵的人口压力相对于抽气管道人口处的压力来说很低，可忽略不计，所以在流态判断计算中，公式中的管道平均压力近似为管道入口处的压力。

另外，当系统从大气压力下开始抽气时，湍流状态持续的时间很短，很快系统 中气流就到黏滞流状态了，所以一般在真空系统的设计计算中很少考虑湍流状态。