Режимы течения газов

При разных давлениях газа в вакуумной системе характер его течения различен. Закономерности течения характеризуются его режимами.

При высоких давлениях (низкий вакуум) и при больших скоростях течения имеет место турбулентный режим. При меньших скоростях течение газа становится ламинарным, инерционные силы в целом доминируют в потоке. Этот режим течения газа называется инерционным.

При дальнейшем разрежении газа инерционные силы становятся величинами меньшего порядка по сравнению с силами внутреннего трения. Такой режим течения называется вязкостным.

При высоко вакууме характер течения газа принимает особую форму, называемую молекулярным течением. Перемещение газа при этом происходит в результате теплового движения молекул почти без их столкновения друг с другом. В этом случае газ уже нельзя рассматривать вне с его микроструктурой, характеризуемой длиной свободного пути молекулы (L).

Кроме перечисленных режимов имеют место промежуточные формы течения. Такими промежуточными режимами являются молекулярно-вязкостный, наблюдающийся при среднем вакууме, и инерционно-вязкостный, характерный для верхней границы низкого вакуума.

В технике получения высокого вакуума приходится встречаться со всеми указанными выше режимами, но не одинаково часто. Наиболее важными, преобладающими, являются молекулярный и молекулярно-вязкостный режимы, т.к. задачей вакуумной испытательной технологии является получение и поддержание среднего и высокого вакуума.

Зная закономерности течения газа при различных режимах, можно применить их к решению различных задачах (к расчетам в вакуумной технике). Эти задачи можно подразделить на две группы: задачи при стационарном течении газа и задачи при нестационарном течении газа.

Задачи первого типа (стационарное течение) относятся к случаю, когда во всех сечениях вакуумной системы установились локальные давления, и заключаются либо в определении этих давлений и расходов, либо в определении размеров вакуумной системы, необходимых для пропускания заданных количеств газа в определенных местах системы.

Задачи второго типа (нестационарное течение) относятся к случаю неустановившихся давлений. При этом требуется определить какую-либо из следующих величин:

· время, в течение которого в вакуумной камере достигается определенное давление;

· давление газа в заданном сечении системы через определенное время;

· размеры вакуумной камеры, обеспечивающие получение определенного изменения давления за определенный промежуток времени. Могут быть и другие задачи.

Граничные условия существования различных режимов течения газа в вакуумных системах можно определить критерием Кнудсена (Kn=L/ l _эф; для круглого трубопровода l _эф=d). Эти условия представлены в таблице:

Режим	Граница
Верхняя	Нижняя
Вязкостный	Kn®0 (атмосферное давление)	Kn£5×10^-3
Молекулярно-вязкостный	Kn>5×10^-3	Kn£1,5
Молекулярный	Kn>1,5	Kn®¥

Рассмотрим технические (измеряемые) оценки границ режимов течения газов в вакуумной системе. Ламинарное течение при давлении ниже атмосферного можно интерпретировать как вязкостное. Общепринятым правилом является следующее: если Re>2000 – поток турбулентный, если Re<1200 – поток ламинарный. Для круглого трубопровода диаметром d (учитывая, что , а ; ; ) получим

,

или

, (11)

где r - плотность газа, h - динамический коэффициент вязкости, Р - давление, Q – поток газа, м³/с; G – поток массы газа, кг/с.

Видим, что для конкретного газа Re зависит от произведения . Этот комплекс можно принять в качестве оценки границы режимов. Экспериментальная практика выработала:

если мкм рт.ст.´см – поток вязкостный,

если мкм рт.ст.´см – поток молекулярный,

если мкм рт.ст.´см – поток молекулярно-вязкостный.

Дата добавления: 2014-01-07