Вид течения газа и давление

2.1. Вид течения газа и давление

Для вакуумной техники важным вопросом явля­ется количественное определение течения газов, вызванного существующей в системе известной разностью давлений.
Так как элементы вакуумных систем (соединительные трубопроводы, отверстия и др.) имеют разные конфигура­ции, условия течения газа в них также бывают различными (по температуре, числу Кнудсена и т. п.).
В некоторых системах течение может быть настолько сложным, что такие системы приходится анализировать ин­дивидуально. Однако некоторые результаты обобщенного рассмотрения позволяют выявить методы, при помощи ко­торых с достаточной степенью точности можно рассчитать различные элементы систем, а также составленные из них более сложные системы.
При определении проводимости элементов учитывается форма проточных каналов и отверстий и режим течения (вяз­кий, молекулярный, промежуточный). Для техники высоко­го вакуума типичным является течение в молекулярных ус­ловиях.
Если в соединенных между собой объемах газ имеет раз­личные концентрации (давления), происходит его течение из объема с большей концентрацией (более высоким давлением) в объем с меньшей концентрацией (меньшим давлением).
При данной разности давлений между двумя объемами поток газа зависит от размеров и формы той части системы, которая соединяет эти объемы, и от числа Кнудсена (Кn), соответствующего давлению данного газа и характеристичес­кому размеру системы d. 
В качестве характеристического размера d принимается или самый большой, или самый малый размер соединитель­ной части системы. Например, в случае длинной трубы диа­метром D d= D. В зависимости от числа Кнудсена различа­ют течения в вязкостном, молекулярном и промежуточном ре­жимах.
В вязкостных условиях (при Кn = d/λ  100) различают турбулентное течение, когда частицы наряду с поступатель­ным движением всей массы газа движутся хаотически со ско­ростями, подвергающимися случайным изменениям, и слои­стое (ламинарное) течение, при котором частицы движутся по параллельным траекториям со скоростями, мало отлича­ющимися друг от друга. Режим течения определяется так называемым числом Рейнольдса (Re), которое характеризует отношение энергии текущего газа к работе течения, при боль­ших Re течение турбулентное, при малых — ламинарное. Очевидно, что как при турбулентном, так и при ламинарном течении, кроме направленного движения, вызванного гради­ентом давления, существует хаотическое тепловое движение частиц, соударяющихся друг с другом и со стенками.
В молекулярных условиях (при Кn = d/λ  1) течение газа сводится к независимому движению отдельных молекул по прямым линиям в периоды между соударениями, которые имеют место главным образом на стенках системы.
В промежуточных условиях (при 1  Кn 100) в системе могут существовать все описанные выше виды движения ча­стиц.

В табл. 2.1 представлены формулы, позволяющие опре­делить режим течения. Эти формулы приведены как в общем виде, так и в виде, соответствующем газам с диаметром час­тицы σ0  0,37 нм, т. е. таким газам, как, например N2, О2, воздух, СО, Аr (при температуре 293 К).
В табл. 2.1 d — характеристический размер вакуумной системы, р0 — приведенное среднее давление, Кn — число Кнудсена.