1.2.6 流动类型
平均自由程与流道直径之间的比值可用于描述流动状态。 该比值被称为克努森数:
\[\mathit{Kn}=\frac{\bar l}d\]
公式 1-13: 克努森数
| $\bar l$ | 平均自由程 | [m] |
| $d$ | 流道直径 | [m] |
| $\mathit{Kn}$ | 克努森数 | 无量纲数 |
克努森数的值表征气体流动的状态并将其分配到特定的压力 范围内。表1.7 给出了真空技术中各种流动状态以及其显著特 性参数的概览。
各种流动状态的剖面如图 1.6 所示。
图 1.6: 各种流动状态的剖面
低真空中的粘性流
在粘性流中，也称为连续流，气体分子间的碰撞很频繁，但 与容器壁的碰撞没那么频繁。在这种情况下，气体分子的平 均自由程明显小于流道的尺寸。
在粘性流的情况下，层流和紊流之间存在区别。在层流中， 气体粒子保持在彼此始终平行的相同位移层上。如果流速增 加， 这些层将被打破，并且流体粒子以完全混乱的方式相互碰 撞。 这被称为紊流。粘性流这两个区域之间的边界可通过雷诺 数来表示:
\[Re = \frac{\rho\cdot\nu\cdot l}\eta\]
公式 1-14: 雷诺数
| $Re$ | 雷诺数 | 无量纲数 |
| $\rho$ | 液体密度 | [kg m-3] |
| $\nu$ | 平均流动速度 | [m s-1] |
| $l$ | 特征长度 | [m] |
| $\eta$ | 动力粘度 | [Pa s] |
Re < 2,300 时，为层流，当 Re > 4,000 时，则为紊流。 在 2,300 < Re < 4,000 范围内，占主导地位的是紊流。 层流也 有可能，然而，这两种类型的流动在该范围内均不稳定。
真空的紊流仅在从大气压进行抽空操作过程中或进行快速排气 时发生。在真空系统中，管道的尺寸应使湍流仅在相对较高的 压力下短暂出现，因为发生在该过程中的高流阻需要所用泵产 生较大的体积流量。
中真空中的克努森流
如果克努森数在 0.01 和 0.5 之间，这被称为克努森流。 由于很多过程的压力处在中真空范围内，这种流动状态时常 发生。
| 粘性流 | 克努森流 | 分子流 | |
|---|---|---|---|
| 低真空 | 中真空 | 高/超高真空 | |
| 压力范围 [hPa] | 103…1 | 1…10-3 | < 10-3 or < 10-7 |
| 压力范围 [Pa] | 105…102 | 102…10-1 | < 10-1 or < 10-5 |
| 克努森数 | Kn < 0.01 | 0.01 < Kn < 0.5 | Kn > 0.5 |
| 雷诺数 | Re < 2,300: laminar Re > 4,000: turbulent |
||
| p · d [hPa cm] | p · d > 0.6 | 0.6 > p · d > 0.01 | p · d < 0.01 |
表 1.7: 各种流动状态概览
高真空和超高真空中的分子流
在克努森数 $\mathit{Kn}$ > 0.5 时， 分子间的相互作用几乎不再出现。 占主导地位的是分子流。 在这种情况下，平均自由程明显大 于流道的直径。在分子流中， 压力与管道直径的乘积大约 ≤ 1.3 · 10-2 hPa cm。
根据压力与管道直径的乘积，流动范围大致图形如图1.7所 示。
图 1.7:根据 p · d 乘积的真空流动范围
该图形清楚地给出流态分区，同时可以发现，单纯根据压力 划分流态是不可接受的，就如表 1.7。由于这种分类方法仍 然被普遍使用，所以在此也加以引用。
