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。
第7章气体的流动
c 11.6 A
b
D/0, b1,且Q黏滞流Q分子流，Q Q分子流 对于20℃的空气
c 1.21 102 D3 1 199D P 2580 ( D P) 2 [ ] cm f ( D P) L 1 233D P
P （ D）很大 D/,b0.8,且Q黏滞流Q分子流，Q Q黏滞流
设用一个截面积为A的小孔将压强为P1、P2(P1> P2)的两容器连 通，气体将从压强较高的容器1流往压强较低的容器2。气体由 容器1逸出小孔时，由于孔的阻力，先略收缩，后立即波浪式 扩张，形成湍流。
通过孔口的气流量Q随着压力比r（r=P2/P1)的变化 AB段：通过孔口Q随着r的下降而增加;
Qr
黏滞-分子流（过渡状态）
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理论，多采用对现有 理论的修正或采用半经验公式的方法
气 体 的 流 动
气体流动状态的判别
黏滞流和分子流——克努曾（knudsen）数 气体的黏滞流状态包括层流状态和紊流状态
与分子流状态相比，黏滞流状态的气体流动模式要复杂 得多。在低流速的情况下，黏滞流状态的气流处于层流 状态；在流速较高时，气体的流动状态转变为紊流状态 。 分子流 黏滞流
紊流状态
层流状态
Re2200;
Re1200;
层流-紊流状态1200Re2200;
气 体 的 流 动
气体的流量Q
dt与其压力P的乘积
压力为P、温度为T的气体通过某平面的容积流率dV／
QP
dV dt
管道的流导c 表示气流的通过能力，在单位压差下，流经导管的气流
量（单位为m3/s） 并联元件的总流导等于各分支流导之和
气体动力学
1、稀薄气体动力学的概念稀薄气体动力学和经典气体动力学一样，是气体动力学的一个分支。
它们都是将气体当作自身的研究介质，研究气体的宏观运动及与其它介质间的热化学与力学作用规律。
经典气体动力学是将气体当作一种连续的介质进行处理，属于连续力学的一个分支。
然而，当气体密度越小，也即气体越稀薄，一旦其平均分子自由程与宏观尺度L的比值达到某个限制值以上时，经典气体动力学的连续介质假设前提将不再成立，于是它的研究方法以及随之得到的结论都将失效。
这时，必须采用稀薄气体动力学的研究方法，通过研究气体分子的微观运动来给出气体宏观运动的描述。
钱学森早在1946年就提出远程飞行器最佳飞行高度约为96公里，并根据努森数将流动划分为连续流（Kn ＜0.01）、滑移流（0.01＜Kn＜0.1）、过渡流（0.1＜Kn＜10）与自由分子流（Kn＞10）四部分，并提倡大力研究稀薄气体动力学。
2、稀薄气体动力学应用前沿目前，稀薄气体动力学主要应用于载人航天领域。
由于临近空间位于航天器入轨与返回的必经区域，空间环境的特殊性决定了航天飞行器在穿越时必须考虑稀薄大气环境对飞行器气动力、防隔热、通讯及控制的影响。
同时，对于高超声速飞行器往往是具有尖锐前缘的乘波体外形，如HTV-2，X-51A等飞行器翼前缘及头部尖锐前缘热环境就必须考虑稀薄气体效应的影响。
除气动热预测外，过渡区稀薄气体效应对气动力的影响也不容小觑。
例如高超声速飞行器在小攻角再入条件下，飞行器各方向力矩特性、压心位置及控制面舵面效率对飞行稳定性至关重要。
即使稀薄气体效应对整体气动特性影响有限，但长航时飞行条件下的扰动积累仍会对飞行姿态与弹道产生影响。
近年来，由于微通道、微机电系统流动多具有多尺度的流动特征，连续流中往往存在局部稀薄效应，稀薄气体动力学在微机电行业也得到了广泛的运用。
3、稀薄气体动力学研究方法建立在稀薄气体动理论基础上的Boltzmann方程对气体从自由分子流到连续流进行了统一的描述，它在整个稀薄气体动力学中占据了中心位置。
真空状态下的气体流动
第三章 真空状态下的气体流动（初稿）3.1气体流动过程的基本物理量在实际真空技术应用过程中，我们所面临的第一个问题就是把气体从真空室排去，所以对气体在系统中的流动性要有所了解。
而真空系统的许多排气泵，不同口径的连接管道，以及各种形状的真空室都会影响到系统的排气速率。
因此研究分析气体通过小孔和管道的流动，是我们设计真空系统的主要课题之一，同时也是一些真空实验的理论根据。
本章我们将介绍气体流动的特性，以及如何计算气体流动速度和流导。
首先我们了解一些气体流动过程的基本物理量。
3.1.1 体积流率当管道里的气体两端存在压力差时，便会出现气体自动从压力高的一端向压力低的一端扩散,便形成了气体流动。
为了计算了解管道中流过的气体的多少，通常使用气体的质量流率Sm （公斤/秒）和摩尔流率Sr （摩尔/秒），即单位时间内通过管道某一给定截面的气体质量和气体摩尔数 。
实际工作中由于这两种流率不便测量而采用体积流率。
体积流率是指在给定温度、压力下，单位时间内流过管道或设备的任一截面上的气体体积。
体积流量通常用符号Sv 表示，单位为：米3/秒。
在气体压力为P 的截面上，Sv 与Sm 和Sr 的关系为：v m S TR M P S ⋅⋅⋅= 和 v r S T R P S ⋅⋅=式中：M——气体摩尔质量kg/mol；R——普适气体常数，R＝8.31J/mol ·K T——温度℃；P——压强Pa；3.1.2气体流量什么是气体流量？在单位时间内通过给定截面的气体数量，称之为气体流量，用Q 表示。
由于气体是可以压缩的流体，所以流过的气体不仅和流过的体积有关，而且和其压强即气体密度n=N/V 有关,气体流量也可以认为是单位时间内，气体分子N 以流率s 通过给定管道横截面A 的分子数量。
这种关系定义在真空科学与技术领域也可以用泵的抽速表示：n S n v A N ⋅=⋅⋅= v A S ⋅≡ (m 3/s)根据流量定义，泵对真空系统的抽气速率也可以用真空泵的抽速来衡量。
真空系统设计
真空系统设计(1)第八讲：真空系统设计王继常(东北大学)一、真空系统的组成真空应用设备种类繁多，但无论何种真空应用设备都有一套排除被抽容器内气体的抽气系统，以便在真空容器内获得所需要的真空条件。
举例来说：一个真空处理用的容器，用管道和阀门将它与真空泵连接起来，当真空泵对容器进行抽空时，容器上要有真空测量装置，这就构成了一个最简单的真空抽气系统(如图1)。
图1所示的最简单的真空系统只能在被抽容器内获得低真空范围内的真空度，当需要获得高真空范围内的真空度时，通常在图1所示的真空系统中串联一个高真空泵。
当串联一个高真空泵之后，通常要在高真空泵的入口和出口分别加上阀门，以便高真空泵能单独保持真空。
如果所串联的高真空泵是一个油扩散泵，为了防止大量的油蒸气返流进入被抽容器，通常在油扩散泵的入口加一个捕集器——水冷障板(如图2所示)。
根据要求，还可以在管路中加上除尘器、真空继电器规头、真空软连接管道、真空泵入口放气阀等等，这样就构成了一个较完善的高真空系统。
凡是由两个以上真空泵串联组成的真空系统，通常都把抽低真空的泵叫做它上一级高真空泵的前级泵(或称前置泵)，而最高一级的真空泵叫做该真空系统的主泵，即它是最主要的泵，被抽容器中的极限真空度和工作真空度就由主泵确定。
被抽容器出口到主泵入口之间的管路称为高真空管路，主泵入口处的阀门称为主阀。
通常前级泵又兼作予真空抽气泵。
被抽容器到予抽泵之间的管路称为予真空管路，该管路上的阀门称为予真空管道阀。
主泵出口到前级泵入口之间的管路称为前级管道，该管路上的阀门称为前级管道阀，而软连接管道是为了隔离前级泵的振动而设置的。
总起来说，一个较完善的真空系统由下列元件组成：1．抽气设备：例如各种真空泵；2．真空阀门；3．连接管道；4．真空测量装置：例如真空压力表、各种规管；5．其它元件：例如捕集器、除尘器、真空继电器规头、储气罐等。
那么，究竟什么是真空系统?用一句话来概括，就是：用来获得有特定要求的真空度的抽气系统。
气体流动知识点总结图
气体流动知识点总结图1. 气体流动的基本概念气体流动是指气体在空间中以一定速度和方向移动的过程。
在气体流动过程中，气体分子之间会发生相互碰撞，并产生压力和摩擦力，导致气体运动。
气体流动是流体力学和热力学的重要研究对象，对于工程领域的空气动力学、风力发电和空气污染控制等方面具有重要的应用价值。
2. 气体流动的基本特性气体流动具有以下基本特性：（1）连续性：气体流动是连续的，即气体在空间中形成连续的流动场。
（2）不可压缩性：在一般情况下，气体是可压缩的，但在许多工程问题中可以将气体视为不可压缩流体，简化计算。
（3）粘性：气体具有一定粘性，即在流动过程中会产生摩擦力，影响流动的速度和方向。
（4）湍流性：气体流动在一定条件下可能产生湍流，湍流会使流动更加复杂，并引起能量损失。
（5）压力差驱动：气体流动是由压力差驱动的，即气体会从高压区流向低压区。
3. 气体流动的基本方程描述气体流动的基本方程包括连续性方程、动量方程和能量方程等。
连续性方程描述了流体的质量守恒，动量方程描述了流体的运动状态，能量方程描述了流体的能量守恒。
这些方程是描述气体流动行为的基础，可以用来分析和预测气体流动的运动规律和性质。
4. 气体流动的流场类型根据气体流动的速度和方向分布，可以将气体流场分为层流和湍流两种类型。
层流是指气体流动的速度和方向均匀，在小尺度范围内呈现出有序的流动特性；湍流是指气体流动的速度和方向发生混乱和随机的变化，在大尺度范围内呈现出非线性流动特性。
层流和湍流对于不同的工程问题有不同的影响，需要根据具体情况进行分析和处理。
5. 气体流动的流动参数气体流动的主要流动参数包括流速、流量、压力、密度、温度等。
这些参数可以用来描述气体流动的运动状态和性质，是分析和研究气体流动行为的基础。
同时，通过对这些参数的测量和计算可以了解气体流动过程中的能量转换和动量传递等物理现象。
6. 气体流动的流动控制在工程实践中，对气体流动进行控制是非常重要的。
气体扩散和稀薄气体动力学
气体扩散和稀薄气体动力学气体扩散和稀薄气体动力学是研究气体分子在非均匀介质中运动和传输的重要领域。
在这个领域中，我们探讨了气体分子如何自由运动并以何种方式传输。
本文将介绍气体扩散和稀薄气体动力学的基本概念、原理和应用。
一、气体扩散的基本概念气体扩散是指气体分子在非均匀介质中由高浓度向低浓度传播的现象。
气体分子在气体介质中通过碰撞传递动量和能量，从而产生扩散。
气体扩散受到浓度梯度、温度、压力和介质性质等因素的影响。
扩散速率可以通过菲克定律来描述，即扩散通量正比于浓度梯度和介质的扩散系数。
二、稀薄气体动力学的基本原理稀薄气体动力学是研究在低密度和高温条件下气体分子运动和相互作用的学科。
在稀薄气体中，分子之间的碰撞频率较低，可以忽略分子间相互作用的影响。
稀薄气体动力学的重要特性包括分子的平均自由程、分子的速度分布和分子碰撞的统计性质。
这些特性可以通过玻尔兹曼方程和分子碰撞理论进行描述。
三、气体扩散的应用气体扩散在许多领域中有重要的应用。
在环境科学中，扩散是大气污染物传输的关键过程。
通过研究大气扩散，我们可以预测污染物的扩散范围和浓度分布，进而制定环境保护政策。
在化学工程中，气体扩散是气体分离和纯化的基础。
通过调节扩散速率和选择适当的分离膜，我们可以实现气体的高效分离和纯化。
四、稀薄气体动力学的应用稀薄气体动力学在太空科学、等离子物理学和真空技术等领域具有广泛应用。
在太空科学中，稀薄气体动力学可以用于描述宇宙中的稀薄背景气体对太空器件运动的影响。
在等离子物理学中，稀薄气体动力学研究等离子体中的电离和复合过程，有助于我们理解等离子体的性质和行为。
在真空技术中，稀薄气体动力学用于研究真空系统中的气体分子的运动和抽吸过程，从而提高真空度和减少污染。
总结气体扩散和稀薄气体动力学是研究气体传输和分子运动的重要学科。
了解气体扩散和稀薄气体动力学的基本概念、原理和应用，对于理解气体分子在非均匀介质中的运动行为和进行相关领域的研究具有重要意义。
稀薄气体的基本性质
dp
d
cos
稀薄气体的基本性质
余弦定律（又称克努曾定律），重要意义在于： 它揭示了固体表面对气体分子作用的另一个方面，
即分子原有的方向性彻底“消除”，均按余弦定律
散射。
分子在固体表面上要停留一定的时间，这是气体
分子能够与固体进行能量交换和动量交换的先决条 件，这一点有重要意义。
3. 均方根速率
计算分子平均动能
3kT 3RT RT vr 1.73 m M M
稀薄气体的基本性质
二、平均自由程
每个分子在连续两次碰撞之间的路程称为自由 程；其统计平均值成为平均自由程。 薄膜技术中最常用的真空度为10-4Pa， 1 -3Pa，自 kT P nkT 自由程大约是 66 米。即使再差， 10 P const . 2 2 2 n 2 P 由程大约是 6.6米。 所以不需要考虑飞行中的薄膜材料和残 σ-分子直径； n－分子密度 存气体冲撞所产生的影响。 0.667
在P = 1.3 10-8Pa时，n = 3.24105分子/cm3，则气 体原子在表面形成单原子层所需要的时间：
1 1 nva 3.24 10 5 4.7 10 4 3.8 10 9 分子 / cm 2 s 4 4
1015 5 t 2 . 63 10 s 3天 9 3.8 10
Collision Free Conditions: Maintain a Clean Surface:
P ~ 10-6 Torr P ~ 10-10 Torr
稀薄气体的基本性质
反射情况
理论与实验研究证明了如下的余弦定律。
碰撞于固体表面的分子，它们飞离表面表面的方向与 原入射方向无关，并按与表面法线方向成θ角的余弦进行分 布。 一个分子在离开其表面时，处于立体角dω中的几率为
稀薄气体动力学
稀薄气体动力学引言稀薄气体动力学是研究气体在稀薄条件下的运动规律的学科。
稀薄气体动力学在空气动力学、宇航科学以及大气科学等领域有着广泛的应用。
本文将就稀薄气体动力学的基本概念、运动规律以及它在实际中的应用进行全面、详细、完整和深入地探讨。
基本概念1.稀薄气体：稀薄气体指气体分子之间相互作用力很小，可以忽略的气体。
气体的稀薄程度与气体分子间的平均自由程有关。
2.气体分子：气体由大量微观粒子组成，每个微观粒子称为气体分子。
气体分子的运动规律是稀薄气体动力学研究的重点。
3.平均自由程：平均自由程是指气体分子在两次相互碰撞之间的平均路径长度。
它与气体分子的直径及气体的分子浓度有关。
4.热运动：气体分子在热力学平衡状态下的无规则运动。
热运动的速度与分子的温度直接相关。
运动规律纳维-斯托克斯方程稀薄气体动力学中，气体分子的运动可以用纳维-斯托克斯方程描述。
纳维-斯托克斯方程是一组偏微分方程，描述了气体分子的宏观运动规律和分子间的相互作用。
### 高速气体动力学在高速稀薄气体动力学中，气体分子的速度比气体中的声速快很多。
此时，我们需要考虑气体的压缩性和不可压缩性对流动的影响。
高速气体动力学主要应用于超音速飞行器和火箭等领域。
### 低速气体动力学在低速稀薄气体动力学中，气体的速度相对较小，可以忽略气体的压缩性。
此时，我们可以使用欧拉方程来描述气体的运动规律。
低速气体动力学主要应用于航天器的轨道计算和飞行器的气动力学设计等领域。
实际应用1.空气动力学稀薄气体动力学是空气动力学的基础，通过稀薄气体动力学的研究可以预测飞行器在大气中的运动轨迹和气动特性，并为飞行器的设计和改进提供理论依据。
2.宇航科学在太空中，气体的分子浓度非常低，常常可以被视为稀薄气体。
通过稀薄气体动力学的研究，可以预测宇航器在太空中的运动规律，为宇航员的活动和宇航器的设计提供支持。
3.大气科学稀薄气体动力学的研究对于大气科学有着重要的影响。
通过对大气中稀薄气体的运动规律的研究，可以预测大气的变化和气候的变化，为环境保护和天气预报提供支持。
化工及原料药生产中的真空系统计算
2020年04月（9）环境温度低于输送物料的凝点时，其备用泵的进出口应设置防凝旁通管，防凝管道设置伴热保温；（10）输送泵设有冷媒时，泵的各路冷媒管道应并联连接，不应串联。
2.4阀门及管道附件的安装（1）极度危害介质、强腐蚀介质的管道和设备上的阀门不应布置在人的头部高度范围；（2）垂直管道上阀门手轮中心距操作面的距离宜为1.2米，最大距离不应超过2米，当超过2米时，应设置手轮或将阀门集安装并增设操作平台；（3）水平管道上的阀门的阀杆方向不得垂直向下；（4）安全阀应垂直安装并尽可能靠近被保护的设备或管道，当安全阀出口管道排向大气时，出口不能朝向设备、平台、电缆等，安全阀出口下端弯头的最低处开一个泪孔，必要时将凝液接入收集罐，当安全阀（DN ≥50）出口管道排向密闭系统时,应顺介质流向45°斜接在排放总管的顶部；（5）呼吸阀应安装在储罐气相空间的最高点，当储罐设有惰性气体保护系统时，惰性气体进气口应远离呼吸阀；（6）止回阀有升降式和旋启式两种，升降式应安装水平管道上，旋启式优先安装在水平管上，当立式升降式或旋启式安装在垂直管道上时，应保证管内介质由下而上流动；（7）疏水阀安装位置不宜高于疏水点；浮球式疏水阀、热动力型疏水阀、倒吊桶式疏水阀应水平安装，脉冲式疏水阀宜安装在水平管道上，双金属片式疏水阀可水平或直立安装；多个疏水阀同时安装时必须并联；（8）调节阀组立面安装时，调节阀应安装在旁路下方，调节阀进口侧与上游切断阀之间的管道的低点应设排净阀；（9）输送可燃介质的尾气总管进出生产装置处均应设置阻火器；可燃物料储罐用阻火器应直接安装在储罐顶的管口上，也可直接安装阻火式呼吸阀；（10）过滤器形式不同，安装要求也不同：角式T 型应安装在管道90度拐弯的场合，直通式T 型必须安装在管道的直管上，Y 型安装在水平管道上时滤芯抽出方向应向下，反流式Y 型安装在介质自下而上的垂直管道上；（11）在设计条件和输送介质允许时，优先选用∏型补偿器，∏型补偿器最好设置在两固定点中部，当施工现场受限时可适当调节，但不应小于两固定点间距的三分之一；（12）输送可燃或有毒介质的管道进出界区处均应装设切断阀和盲板。
稀薄气体实验技术的使用方法与压力控制
稀薄气体实验技术的使用方法与压力控制随着科学技术的不断发展和进步，稀薄气体实验技术在各个领域的应用也越来越广泛。
稀薄气体实验技术主要涉及到对气体的控制、测量和分析等方面的操作，这对于研究物质的基本性质以及物理、化学等领域的相关问题具有重要意义。
本文将介绍稀薄气体实验技术的使用方法以及压力控制的关键点。
一、稀薄气体实验技术的使用方法1. 气体的控制在稀薄气体实验中，气体的控制是非常重要的一环。
首先，需要选择适当的气体源，例如气瓶、气缸等。
在选择气源时，需要注意气体的纯度和压力等参数，以满足实验的需要。
其次，需要使用适当的装置对气体进行分配和控制。
常见的方法有使用流量计、阀门、泵等设备进行调节，并结合控制系统进行自动化操作。
通过这些控制手段，可以精确地调节气体的流量、浓度和温度等参数，确保实验的准确性和可重复性。
2. 气体的测量稀薄气体实验中，气体的测量是必不可少的一环。
常见的气体测量参数包括浓度、压力、流速等。
对于浓度的测量，可以使用吸附管、气相色谱等技术进行分析。
对于压力的测量，可以采用压力表、压力传感器等设备进行记录。
而对于流速的测量，则可以通过流量计、风速计等工具来实现。
通过对这些参数的准确测量，可以有效地评估实验结果的可靠性和精确性。
3. 气体的分析稀薄气体的分析是在实验中非常重要的一步。
通过分析气体的组成和特性，可以获得实验所需的信息。
常见的气体分析技术包括质谱仪、红外光谱、拉曼光谱等。
这些仪器可以通过分析气体的光谱，来确定其组成和性质。
在实验过程中，需要根据实验的需求选择合适的分析方法和设备，以获得准确、可靠的实验结果。
二、压力控制的关键点在稀薄气体实验中，压力控制是一个十分关键的环节。
合理的压力控制可以确保实验的顺利进行，并保证实验结果的准确性。
以下是压力控制的几个关键点。
1. 气体源的选择与准备选择合适的气体源是进行压力控制的第一步。
在实验中，需要根据实验需求选择适当的气体源，同时要确保气体源的纯度和稳定性。
2稀薄气体流动状态的判别
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
11
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
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《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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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讨论
谢 谢 大 家！
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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。