第7章氣體的流動(dòng)

氣體的流動(dòng)氣體的流動(dòng)

氣體的流動(dòng)狀態(tài)當(dāng)氣體兩端存在壓強(qiáng)差時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)氣體從高壓強(qiáng)端向低壓強(qiáng)端的流動(dòng)三種基本流動(dòng)狀態(tài)

稀薄氣體在管路的流動(dòng)可分為：黏滯流、分子流和黏滯-分子流（過渡狀態(tài)）影響的氣體的流動(dòng)狀態(tài)主要因素

氣體容器的幾何尺寸，氣體的壓力、溫度以及氣體的種類氣體的分子流狀態(tài)在高真空環(huán)境中，氣體分子除了與容器器壁發(fā)生碰撞以外，幾乎不發(fā)生氣體分子間的碰撞過程。這種氣體的流動(dòng)狀態(tài)被稱為氣體的分子流狀態(tài)分子流狀態(tài)的特點(diǎn)是氣體分子的平均自由程大于氣體容器的尺寸高真空薄膜蒸發(fā)沉積系統(tǒng)或各種材料的表面分析儀器就工作在分子流的狀態(tài)下。

氣體的黏滯流狀態(tài)當(dāng)氣體壓力較高時(shí)，氣體分子的平均自由程較短，氣體分子間的相互碰撞較為頻繁。這種氣體的流動(dòng)狀態(tài)稱為氣體的黏滯流狀態(tài)。工作壓力較高的化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)一般工作在氣體的黏滯流狀態(tài)下黏滯-分子流（過渡狀態(tài)）處于黏滯流和分子流之間的一種中間流動(dòng)狀態(tài)。對(duì)其研究尚缺乏系統(tǒng)的理論，多采用對(duì)現(xiàn)有理論的修正或采用半經(jīng)驗(yàn)公式的方法氣體的流動(dòng)氣體流動(dòng)狀態(tài)的判別黏滯流和分子流——克努曾（knudsen）數(shù)

分子流

黏滯流

黏滯-分子流（過渡狀態(tài)）

氣體的黏滯流狀態(tài)包括層流狀態(tài)和紊流狀態(tài)與分子流狀態(tài)相比，黏滯流狀態(tài)的氣體流動(dòng)模式要復(fù)雜得多。在低流速的情況下，黏滯流狀態(tài)的氣流處于層流狀態(tài)；在流速較高時(shí)，氣體的流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳡顟B(tài)。

層流狀態(tài)相當(dāng)于氣體分子的宏觀運(yùn)動(dòng)方向與一組相互平行的流線相一致。相鄰的各流動(dòng)層之間一直維持著相互平行的流動(dòng)方向。紊流狀態(tài)

在流速較高的情況下，氣體的流動(dòng)不再能夠維持相互平行的層狀流動(dòng)模式，而會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N旋渦式的流動(dòng)模式，氣流中不斷出現(xiàn)一些低氣壓的旋渦。層流狀態(tài)和紊流狀態(tài)——雷諾(Revnolds)準(zhǔn)數(shù)Re

d管道直徑;u氣體流速；氣體密度；粘滯系數(shù)；紊流狀態(tài)Re2200;層流狀態(tài)Re1200;層流-紊流狀態(tài)1200Re2200;雷諾準(zhǔn)數(shù)相當(dāng)于氣體流動(dòng)的慣性動(dòng)量與其受到的黏滯阻力之比，各自起著破壞與穩(wěn)定氣流的作用。氣體流動(dòng)速度越慢，氣體的密度越小，真空容器的尺寸越小，氣體的黏度系數(shù)越大，則越有利于氣流形成層流。

氣體的流動(dòng)氣體的流量Q

壓力為P、溫度為T的氣體通過某平面的容積流率dV／dt與其壓力P的乘積

管道的流導(dǎo)c

表示氣流的通過能力，在單位壓差下，流經(jīng)導(dǎo)管的氣流量（單位為m3/s）并聯(lián)元件的總流導(dǎo)等于各分支流導(dǎo)之和串聯(lián)元件的總流導(dǎo)的倒數(shù)等于各分支流導(dǎo)的倒數(shù)之和

氣體沿管道的黏滯性流動(dòng)

—泊稷葉(Poiseuille)公式

氣體作粘滯性流動(dòng)時(shí)，壓強(qiáng)及密度仍然較大，可視為連續(xù)流體。氣體的內(nèi)摩擦起決定性作用。離管壁愈近的氣體，流速愈慢，愈遠(yuǎn)則愈快。貼近管壁的氣體，其流速可認(rèn)為是零。當(dāng)流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，每秒流過管內(nèi)任何截面之氣體量應(yīng)相等。載具有均勻圓形截面的長(zhǎng)管中，氣流從高壓Pl區(qū)流向低壓P2區(qū)。包含在半徑為r，壁厚為dr的薄壁圓柱和長(zhǎng)度為dz內(nèi)的氣體。氣體沿管道的黏滯性流動(dòng)

—泊稷葉(Poiseuille)公式

氣體的流動(dòng)在氣流方向受到截面積2rdr內(nèi)壓力差dp的作用力dF1氣體在圓柱內(nèi)表面處的速度大于圓柱外表面處的速度。由氣體的黏滯作用產(chǎn)生的黏滯力F作用于圓柱內(nèi)表面上的力F2作用于圓柱外表面上的力F/2由黏滯性所產(chǎn)生的作用于圓柱上的合力dF2穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，由壓力差產(chǎn)生的力dFl與由黏滯性產(chǎn)生的力dF2相平衡，圓截面管在柱坐標(biāo)下，黏滯流流動(dòng)的泊松方程氣流方向dF1dzF2dF2氣體沿管道的黏滯性流動(dòng)-圓管的流導(dǎo)若圓截面管，兩端的壓力為P1、P2，且P1P2，管道長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則

圓截面管道內(nèi)的流體流速v

對(duì)于20℃的空氣

氣體的流動(dòng)氣體通過小孔的黏滯性流動(dòng)在壓強(qiáng)較高(即d)時(shí)慣性力與內(nèi)摩擦力設(shè)用一個(gè)截面積為A的小孔將壓強(qiáng)為P1、P2(P1>P2)的兩容器連通，氣體將從壓強(qiáng)較高的容器1流往壓強(qiáng)較低的容器2。氣體由容器1逸出小孔時(shí)，由于孔的阻力，先略收縮，后立即波浪式擴(kuò)張，形成湍流。通過孔口的氣流量Q隨著壓力比r（r=P2/P1)的變化AB段：通過孔口Q隨著r的下降而增加;AB段曲線中Q與r的關(guān)系r=rc(臨界壓力比)：對(duì)于一定T的特定氣體，Q=f(r),由dQ/dr=0，求Qmax

r=P2/P1孔口兩側(cè)的壓力比；K氣體的絕熱指數(shù)；T1空間1內(nèi)氣體的溫度；P1空間1內(nèi)氣體的壓力；BC段：雖然壓力比繼續(xù)下降，Q也不再變化對(duì)于空氣或其他雙原子分子如O2,H2,N2等）K=1.4，rc=0.525;對(duì)于單原子分子K=1.2，rc=0.564對(duì)于20℃的空氣當(dāng)r0.525時(shí)當(dāng)r0.525時(shí)當(dāng)r0.1時(shí)氣體沿管道的分子性流動(dòng)—克努曾(Knudsen)公式氣體的流動(dòng)壓強(qiáng)較高（d）——基于氣體分子自由程理論當(dāng)壓強(qiáng)逐漸降低(d)時(shí)——還沒有成功的理論壓強(qiáng)繼續(xù)降低（d）——分子流狀態(tài)下的遷移理論壓強(qiáng)較低（d），考慮無(wú)限長(zhǎng)的圓管，管的兩端壓強(qiáng)維持在P1、P2。圓管兩端的氣體密度不等，出現(xiàn)凈流。計(jì)算管道內(nèi)通過此截面A的分子數(shù)dA對(duì)dA/所張立體角d(即從dA/視dA所得立體角)(/為dA、dA/聯(lián)線與dA/法線之夾角)離開dA/表面時(shí)位于立體角d中的幾率

單位時(shí)間碰撞于dA/的分子數(shù)求碰撞于dA/后飛過dA之分子數(shù)dN(dA/附近氣體分子密度為n/)（R表示dA,dA/聯(lián)線長(zhǎng)，表示R與dA法線間夾角）

對(duì)于20℃的空氣

氣體的流動(dòng)氣體通過小孔的分子性流動(dòng)當(dāng)壓強(qiáng)很低(d)時(shí)，氣體分子通過小孔時(shí)相互無(wú)碰撞。由1飛往2的分子或由2飛往1的分子，都是相互獨(dú)立的。設(shè)薄壁小孔孔口的面積為A，兩側(cè)的壓力為P1和P2，且P1>P2，氣體的分子密度分別為nl和n2，單位時(shí)間通過孔口的凈流動(dòng)