2稀薄气体流动状态的判别
稀薄气体性质.
P1、P2 ：管道两端压力（ P1>P2 ）
黏滞-分子流过渡流态的流量
过渡流态既有黏滞的基本特征，又有分子流的主要 属性，在动态真空系统中，是一种不稳定或暂态现 象。 当真空获得设备只在低、中真空状态下工作时，过 渡流态不可忽略。 目前对过渡流态的研究虽然颇多，也有若干结论， 但还不成熟，未能形成一种完善的理论公式，大多 数是半经验的定性分析和定量计算公式。
湍流
气体压力和流速较高时，流动呈不稳定状态，
其特征是流线不沿着管轴方向，而是出现垂 直于管轴的横向位移，形成无规则的旋涡， 旋涡时隐时现，交替“猝发”与“间歇”。 这种无秩序的流动肯定要多消耗能量，大大 增加气体的摩擦阻力，这种流动叫湍流，气 体的惯性力在流动中起主要作用。
黏滞流
若压力和流速逐步降低，就会变成气体的各
为湍流 Q 2660 D 为黏滞流 Q 1450 D 1450 D Q 2660 D 为湍流-黏滞流 Q：通过管道的气体流量，Pa· m³ /s D：管道的内径，m
气体流动状态的判别
对于室温20℃的空气，黏滞流、黏滞-分子流和 分子流之间的判别式是：
为黏滞流 DP 0.665 Pa m 3 DP 6.65 10 Pa m 为分子流 3 6.65 10 Pa m DP 0.665 Pa m 为黏滞-分子流
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
P ：管道中气体的平均压强，Pa
D：管道的内径，m
真空系统的有效抽速
真空系统对容器的有效抽速是指在容器出口
处的压力下，单位时间内真空系统能够从被 抽容器中所抽除的气体体积。
真空系统对容器的有效抽速不仅取决于真空
稀薄气体动力学
稀薄气体动力学稀薄气体动力学是研究气体在条件较为稀薄的情况下的运动规律和性质的学科。
稀薄气体指的是气体分子之间距离很大，分子间相互作用可以忽略不计的气体。
在这种条件下，稀薄气体动力学的理论可以为科学家和工程师提供重要的指导，特别是在航空航天、电子器件和真空技术等领域。
一、基本模型稀薄气体动力学的基本模型是基于分子运动论和碰撞论的。
根据这个模型，气体分子是以高速运动的微粒，它们的运动受到牛顿力学规律的支配。
分子之间相互碰撞会产生压力、温度等物理量的变化，而这些变化可以通过数学模型进行描述和计算。
二、分子运动在稀薄气体动力学中，分子的运动是一个关键的研究对象。
分子在气体中以高速无序运动，并具有各向同性。
其速度和方向是随机的，可以用分布函数来描述。
分子的运动主要受到惯性和碰撞力的影响。
惯性使得分子具有连续直线运动的趋势，而碰撞力则会使分子的运动改变方向和速度。
在平衡状态下，气体分子的平均动能与其温度成正比。
三、气体力学基本方程稀薄气体动力学的基本方程描述了气体的性质和行为。
其中，动量守恒方程、质量守恒方程、能量守恒方程以及状态方程是最基本的方程。
动量守恒方程描述了气体分子在碰撞过程中的动量传递与转化，质量守恒方程描述了气体分子的质量变化与运动规律，能量守恒方程则描述了气体分子在碰撞过程中的能量转化和传递。
状态方程则是描述气体状态和性质的方程，常用的状态方程有理想气体状态方程和范德瓦尔斯方程等。
四、稀薄气体的动力学过程稀薄气体在动力学过程中，主要包括分子扩散、热传导、辐射、动力学碰撞等。
这些过程对于气体的输运、热力学性质以及辐射传热等都有重要影响。
在分子扩散中，气体分子通过碰撞和自由飞行传递动量和质量。
热传导过程则是由于分子之间的碰撞和能量转移，使得热量从温度较高的区域传递到温度较低的区域。
辐射是气体分子通过发射和吸收辐射能量来传输能量的过程。
动力学碰撞则是描述气体分子之间碰撞的运动规律和特性。
五、应用领域稀薄气体动力学的理论和方法在多个领域具有广泛应用。
真空原理文档
在真空科学中，真空的含义是指在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态。
人们通常把这种稀薄的气体状态称为真空状况。
这种特定的真空状态与人类赖以生存的大气在状态相比较，主要有如下几个基本特点：（1 ）真空状态下的气体压力低于一个大气压，因此，处于地球表面上的各种真空容器中，必将受到大气压力的作用，其压强差的大小由容器内外的压差值而定。
由于作用在地球表面上的一个大气压约为10135N/m2，因此当容器内压力很小时，则容器所承受的大气压力可达到一个大气压。
不同压强下单位面积上的作用力，如表1 所示。
（2 ）真空状态下由于气体稀薄，单位体积内的气体分子数，即气体的分子密度小于大气压力的气体分子密度。
因此，分子之间、分子与其他质点（如电子、离子等）之间以及分子与各种表面（如器壁）之间相互碰撞次数相对减少，使气体的分子自由程增大。
表2 给出了常温下大气分子平均自由程与大气压力的关系。
表 1 不同压力下单位面积上的作用力表 2 常温下大气分子平均自由程与大气压力的关系(3) 真空状态下由于分子密度的减小，因此做为组成大气组分的氧、氢等气体含量( 也包括水分的含量) 也将相对减少。
表 3 给出了标准大气的成份。
表1 标准大气的成分* 表示随时间、地点而变化的值真空的这些特点、已被人们在丰富的生产与科学实验中加以利用，这一点我们将在下节中详述不同真空状态下各种真空工艺技术的应用概况随着气态空间中气体分子密度的减小，气体的物理性质发生了明显的变化，人们就是基于气体性质的这一变化，在不同的真空状态下、应用各种不同的真空工艺、达到为生产及科学研究服务的目的。
目前，可以说，从每平方厘米表面上有上百个电子元件的超大规模集成电路的制造，到几公里长的大型加速器的运转，从民用装饰品的生产到受控核聚变、人造卫星、航天飞机的问世，都与真空工艺技术密切相关。
不同真空状态下所引发出来的各种真空工艺技术的应用概况如表 4 所示。
表 4 不同真空状态下各种真空工艺技术的应用概况真空系统的设计中的主泵的选择(1)时间:2008-10-13 来源:真空技术网整理编辑:鬼马在真空系统中，主泵决定了被抽容器的极限真空度和工作真空度，而前级泵则在主泵出口处造成始终低于主泵的临界前级压力的真空度，保证主泵能正常工作。
真空状态气体流动状态的判别
三、气体流动状态的判别
在真空状态下，气体通过管道的流动属于稀薄气体流动。
在真空系统管路中的气流有五种流动状态：湍流(又称紊流、涡流)；湍-粘滞流；粘滞流(又称层流、粘性流、泊稷叶流)；粘滞-分子流；分子流(又称自由分子流、克努森流)。
湍-粘滞流是湍流和粘滞流之间的过渡状态。
粘滞-分子流是粘滞流和分子流之间的过渡状态。
因为湍流仅仅发生在真空系统刚刚工作之时，持续的时间很短，发生湍-粘滞流的时间也很短，所以在真空系统的设计计算中很少考虑这两种流动状态的影响。
而主要考虑粘滞流，粘滞-分子流，分子流这三种流动状态下，管道对气体的导通性能-流导。
气体在管道中的流动状态不同，管道的流导也不一样，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?
对于室温20℃空气、湍流、湍-粘滞流、粘滞流之间的判别式为式（３）。
对于室温20℃空气，粘滞流、粘滞-分子流和分子流之间的判别式是（４）。
§3.9.1稀薄气体的特征
Zt Z mm Z mw
若在上式两边各除以平均速率，并且分别取倒数,令
mm
v Zmm
, mw
பைடு நூலகம்
v Zmw
,t
v
t
,
则1 1 1
t mm mw
• 这就是分子平均自由程的更为一般的公式。
• 考虑到以前所讲的分子与分子间碰撞的平均自由程就是 这里的总的平均自由程，则上式可写为
显然，只有当
1 11
t L
L时才有t
• 由此可见，讨论输运现象时我们用了平均自由程比容
器特征尺寸 L 小的多的限止条件是完全必要的。
• 但是随着气体压强的降低，当分子间碰撞的平均自由
程可与容器的特征尺寸 L 相比较，甚至要比 L 大得
多时，讨论气体输运系数时所得到的一些公式不再适 用。
•
（二）真空
撞时也会发生动量和能量的传输。
• 一般情况下，分子在单位时间内所经历的平均碰撞总 次数应是分子与分子及分子与器壁碰撞的平均次数之 和，
Zt Z mm Z mw
•这里统一以下标 m-m 表示分子与分子之间碰撞的诸
物理量，
•以下标 m-w 表示分子与器壁碰撞的物理量，而以下 标 t 表示这两种同类物理量之和。
§ 3．9 稀薄气体中的输运过程
• § 3．9．1稀薄气体的特征
• 上一节所讨论的气体要求它既满足理想气体条件，但
又不是十分稀薄的，如果 L 为容器特征线度，d 为分子
有效直径,其分子平均自由程要满足如下条件
d L
L 的限制是因为上一节所讨论的输运现象
中仅仅考虑了分子之间的碰撞， 但未考虑到分子与器壁碰撞.实际上分子与器壁碰
§3.9 稀薄气体中的输运过程要点
• 这时气体分子主要在器壁之间碰撞，
• 它们在与器壁碰撞的同时，与器壁发生能量或
动量的输运，
• 因而产生热导与黏性现象。
（一）稀薄气体中热传导现象
考虑有两块温度分别为 T1 及 T2 的平行平板， 平板之间的距离 L 比平板的线度小得多，其 中充有其平均自由程 L 的气体。分子在两器壁往返的运动过程中很少 与其它分子相碰。 分子来回碰撞于温度为 T1 及 T2 器壁的同 时，把热量从高温传到低温，这就是极稀薄 气体中热传导的基本微观过程。 显然，这时在气体中不存在温度梯度，也没
• 一般情况下，分子在单位时间内所经历的平均 碰撞总次数应是分子与分子及分子与器壁碰撞 的平均次数之和，
Zt Z mm Z mw
•这里统一以下标 m-m 表示分子与分子之间 碰撞的诸物理量，
•以下标 m-w 表示分子与器壁碰撞的物理量， 而以下标 t 表示这两种同类物理量之和。
Zt Z mm Z mw
JT 1 1 nv ik (T1 T2 ) 6 2
CV .m 1 nv (T1 T2 ) 6 NA
热流密度 JT 与真空夹层厚度 L 无关。 • 传热量正比于 n ， • 因而正比于压强 p ，p 越小，热流密度 JT 越小， • 这就是真空绝热技术的基本原理。
• 需要说明，虽然上面的讨论是针对超高真空气 体进行的，但对 L 大于平均自由程的高真空 气体也能近似适用。 • 英国物理学家杜瓦在首次液化氢气时( 液氢温 度为 20 K ) ，为了能保存很难液化且汽化热 很少的液氢而设计了杜瓦瓶（ 热水瓶就是一 种杜瓦瓶 ）。
•
分子碰撞离开圆盘后又变为杂乱的无规则 运动，设 n 是分子数密度，m 是分子质量。 试证明气体分子施于圆盘的力矩为
高二物理竞赛课件稀薄气体的输运过程
2.50 1010 m
例：在标准状态下，氦气的黏度为η1、
氩气的黏度为η2 ，它们的摩尔质量分别为
μ1、μ2 ，求：
（1）氦原子与氩原子碰撞截面σ之比
（2）氦气与氩气的导热系数κ之比
（3）氦气与氩气的扩散系数 D 之比
解：（1） h 2 km T 1/2 2 k T 1/2
3
3 N A
2 k T 1/2 3h N A
JN
1 6
v [n(z0
) n(z0
)]
z
z0
2
nv / 6
z0
nv / 6
1
z0
能量梯度 2 1 d
2 dz
d d dT Cv，m dT
dz dT dz N A dz
Q
(1
2
)
nv 6
A
1 nv Cv,m dT A
3
N A dz
dQ dT A
dz
1 nv Cv,m
hCv, m 4
3
例：由实验测定在标准状况下，氧气的 扩散系数为2S -1 , 试求氧气分子的平均自由程 和分子的有效直径。
解：
D 1 v
3
v M
8RT
3D 3D M 1.34 107 m
v
8RT
d
kT
2 p
1.38 1023 273 1.41 3.14 1.34 107 1.013105
m-w 表示分子与器壁碰撞的诸物理量，t 表示这
两种同类物理量之和。
刚性分子气体的导热率与数密度 n 无 关，仅与 T1/2 有关。并且只适用于温度梯度 较小满足 d L 的理想气体。
2 km Cv, m T 1/ 2 3 Mm
稀薄气体动力学
稀薄气体动力学稀薄气体动力学是研究稀薄气体在流动过程中的物理学规律的一门学科。
它主要涉及到气体的运动、传输、化学反应等方面，是研究大气层、太空等环境下的运动物理学和化学问题的基础。
本文将从以下几个方面详细介绍稀薄气体动力学的相关知识。
一、稀薄气体的定义和特性稀薄气体指的是分子间距离相对较大，分子数密度较低，分子之间相互作用力相对较弱的气体。
在常温常压下，空气可以看作是一个稠密度为1.2 kg/m³的理想气体，但在高空或真空条件下，空气就会变得十分稀薄。
稀薄气体具有以下特性：1. 分子之间距离较大，碰撞概率小，因此分子间相互作用力较弱。
2. 分子之间存在着碰撞和散射现象，在碰撞过程中能量和动量会发生转移。
3. 稀薄气体具有高速运动性质，在高速流动时会产生各种非平衡现象。
4. 稀薄气体的热传导和动量传递效率较低，因此热和动量的传递速度较慢。
二、稀薄气体的运动方程稀薄气体的运动方程是描述气体在运动过程中各种物理量随时间和空间变化规律的数学公式。
常见的稀薄气体运动方程有以下几种：1. 纳维-斯托克斯方程（NS方程）NS方程是描述流体力学中粘性流体运动规律的基本方程之一，也可以用来描述稀薄气体在流动过程中各个物理量随时间和空间变化规律。
NS方程包括连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程三个部分。
2. 博尔兹曼方程博尔兹曼方程是描述稀薄气体分子运动规律的基本方程，它可以用来计算稀薄气体在不同温度、压力下的物理性质。
博尔兹曼方程包括碰撞项和漂移项两个部分，其中碰撞项描述了分子之间的碰撞和散射过程，漂移项描述了分子在外场作用下的运动规律。
3. 热力学方程热力学方程是描述气体在温度、压力、体积等物理量变化时，各个物理量之间的关系和变化规律。
热力学方程包括状态方程、热力学第一定律和第二定律等多个部分。
三、稀薄气体流动的基本特性稀薄气体流动是指气体在外界作用下产生的各种流动现象，包括静压力、动压力、速度场等。
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u=
Q/P 4Q = πD 2 / 4 πD 2 P
M µPV µP ρ= = /V = V RT RT
Re =
4µ Q πRTη D
Q：气体流量；R：气体普适常数；T：热力学温度 D：管道直径；µ：摩尔质量；η：内摩擦系数
7
对于室温0℃空气，湍流、湍—粘滞流、粘滞 流之间的判别式是 Q>2660D Q<1450D 1450D<Q<2660D 式中 为湍流 为粘滞流 为湍—粘滞流
4
粘滞流（Viscous flow）：当压强和流速逐渐降低，流线就 有规律，随管道形状变化而变化，流动变成各部分具有不同 速度的流动层。内摩擦力对流动起支配作用。 分子流（Molecular flow）：气体压强进一步降低，当气体分 子的平均自由程与管道直径相当时，开始出现新的流动状态 ，气体分子间的碰撞很少，甚至可以忽略，而气体分子依靠 本身的热运动与管壁频繁碰撞，在管道内分子密度梯度的推 动下，由高压端流向低压端。这种气流是一个个分子单独运 动的综合效果。“漫反射”现象是促成分子流特殊运动规律 的重要物理基础。 粘滞—分子流（Transition flow）：是粘滞流和分子流之间 的一种中间流动状态，压强介于粘滞流和分子流之间，不同 速度层间有更多的分子交换，管壁处有滑动现象。其研究的 难点在于它跨越流体力学和统计力学两大学科。粘滞流为流 体力学范畴，分子流属气体分子动力学范畴，研究方法不同
《真空系统设计》之二 真空系统设计》
稀薄气体流动状态的判别
东北大学
稀薄气体流动状态的判别
气体流动的基本状态 气体流动状态的分类 湍流与粘滞流的转变及其判别 粘滞流与分子流的转变及其判别 稀薄气体动力学
2
气体流动的基本状态
真空系统一旦启动，系统管道中就存在定向 的气体流动，即稀薄气体沿管道的流动。 气体在管道中的流动状态不同，管道的流导 也不一样，也就是说，管道对气体的流动的 影响，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、温度和压力有 关。所以在计算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。 稀薄气体沿管道的流动与常压气体有区别也 有联系，研究稀薄气体沿管道的流动是真空 科学的重要内容之一。
分子流 粘滞流 粘滞—分子流
9
对于给定气体和温度 λ P 为常数 对于室温20℃空气,粘滞流、粘滞—分子流和分 子流之间的判别式是
DP ≥ 0.665Pa⋅ m 为 滞 粘 流 −3 为 子 分 流 DP ≤ 6.65×10 Pa⋅ m 6.65×10−3 Pa⋅ m ≤ DP ≤ 0.665Pa⋅ m 为 滞- 粘 分 流 子
Q—通过管道的气体流量，Pam3/s D—管道的内径，m
8
粘滞流与分子流的转变及判别
分子流流态的研究必须着眼于一个个气体分 子及其行为，大量研究表明，分子平均自由 程是个重要参数。目前国内外多数学者推荐 的判据为：
λ D ≥1 1 λ ≤ D 100 1 λ 100 ≤ D ≤1
5
湍流与粘滞流的转变及其判别
雷诺数Re：流体加速度做功对于摩擦功的比值
2 2 1 1 D 2 Mu = π Lρ u 2 2 2
ηu (πD )L
Re = Duρ
η
u：相对于器壁的流速；D：管径；L：管长； M：气体质量；ρ：气体密度；η：内摩擦系数
6
κT λ= 2πσ 2 P
式中
D—管道的内径，m P－管道中气体的平均压强，Pa
10
讨论
谢 谢 大 家！
END
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气体流动状态的分类
在真空系统管路中的气流有五种流动状态：湍 流(又称紊流、涡流)；湍—粘滞流；粘滞流(又 称层流、粘性流、泊稷叶流)；粘滞—分子流； 分子流(又称自由分子流、克努森流)。湍—粘 滞流是湍流和粘滞流之间的过渡状态。粘滞— 分子流是粘滞流和分子流之间的过渡状态。 湍流（Turbulence flow）：管道中气体的压强 和流速高，流线无规则且有旋涡，旋涡时隐时 现，流动呈不稳定状态，质点的速度急剧变化 着，加速度大，因而惯性力对流动起支配作用 。一般存在于真空系统工作初期。