流量的计算方法以及真空物理学中的流动类型
流动类型
在真空技术中，主要会遇到三种类型的流动：粘性或连续流动、分子流动，以及二者之间的过渡类型 - 克努森流动。
粘性或连续流动
这种流动几乎只存在于粗真空范围，它的特性由分子间的相互作用所决定。因此内部摩擦、流动物质的粘度是重要的考虑因素。若流动过程中出现涡旋运动，就称之为湍流。若多层流动介质上下层叠并作层状流动，则可使用术语“层流”或“层通量”。
圆管中呈抛物线速度分布的层流称为泊肃叶流。这种特殊情况常见于真空技术领域。当分子的平均自由程比管径小得多时 (λ « d)，一般会出现粘性流动。
描述粘性流动状态的特征量为无量纲雷诺数 Re。Re 是管径、流速和密度与流动气体粘度（内部摩擦）的倒数值的乘积。当 Re > 2200 时为湍流；Re < 2200 时为层流。
在粘性流动情况下，还可能观察到阻塞流现象。在真空容器通气和抽真空时以及泄漏处可能出现这种流动。
只要存在压力差
Δp = (p1 – p2) > 0，气体就始终会流动。气体流动的强度，也就是在一段时间内流动的气体量，会随着压差而升高。但是，对于粘性流动，仅在流速（压差增加，流速也会上升）达到声速时，才会出现这种情况。当压差低于被称为“临界值”的特定压差时，始终都是如此。
(1.22)
Δp > Δp临界 后，压差再升高将不会再导致气体流动进一步增加；任何增加均会被抑制。对于 68°F (20°C) 的空气，气体动力学理论显示该临界值为
(1.23)
图 1.1 中的图表显示了通过外壳上的开口（排气阀）对已抽真空的容器进行通气（或进气），以允许 p = 1000 mbar 的环境空气进入时的情形。根据上述信息，产生的临界压力为 Δp临界 = 1000 · (1– 0.528) mbar ≈ 470 mbar；即 Δp > 470 mbar 时，流速将被阻塞；Δp < 470 mbar 时，气体流动将降低。
图 1.1 已抽空容器的排气示意图。
1 - 阻塞的气流流量 qm = 常量（最大值）
2 - 非阻塞气流，qm 降至 Δp = 0
分子流动
分子流动是高真空和超高真空范围内的主要流动形式。在此范围内，分子可以自由移动，不会产生任何相互干扰。分子流动出现于粒子的平均自由程长度远远大于管径 (λ >> d) 时。
克努森流动
粘性流动和分子流动之间的过渡范围称为克努森流动。这种流动在中等真空范围 (λ ≈ d) 内很常见。
对于特定温度下的特定气体，其压力 p 和管径 d 的乘积可作为各种流动的表征参量。使用表 3 中提供的数值，空气在 68°F (20 °C) 时存在以下等效关系：
表 3 使用平均自由程 λ 的乘积 c* 计算出的平均自由程 I 值（以及 68°F (20°C) 下各种气体的压力 p）
粗真空 - 粘性流动
中等真空 - 克努森流动
高真空和超高真空 - 分子流动
在粘性流动范围内，所有气体分子的首选速度方向将与宏观的气体流动方向一致。这种一致性是由于气体粒子密集填充，粒子相互碰撞的频率远高于其与仪器的边界壁碰撞的频率这一事实。气体的宏观速度是一种“群速度”，不同于气体分子的“热速度”。
另一方面，在分子流动范围内，粒子与边界壁的碰撞占主导地位。由于反弹（但也包括在容器壁上停留一段时间后的解吸），气体粒子会在高真空中朝任意方向运动；已不可能再出现宏观意义上的“流动”。
在每种情况下，想要作为几何运算情形的函数来确定真空压力范围都毫无意义。每个压力分区的限值（见表 9）都是采用如下方式选定：当使用正常规格的实验室设备时，在粗真空范围内将以气体粒子相互碰撞为主；而在高真空和超高真空范围内，将以气体粒子碰撞容器壁为主。
表 9 真空技术中使用的压力范围及其特性（数字四舍五入到 10 的整数幂）
在高真空和超高真空范围内，真空容器壁的特性会具有决定性的重要性，因为压力低于 10-3 mbar 时，容器壁表面上的气体分子会多于容器内部。如果假设已被抽真空的体积为 1 升的球形容器的内壁上吸附了一层分子，则吸附粒子的数量与容器内部空间中游离分子数量的比值如下：
在 1 mbar 10-2 压力下
在 10-6 mbar 10+4 压力下
在 10-11 mbar 10+9 压力下
因此，使用单层形成时间 τ 来表征超高真空，并以此区分此真空分区和高真空分区。在高真空范围内，单层形成时间 τ 不到一秒，而在超高真空范围内，则会达到几分钟或超过数小时。因此，只有在超高真空条件下才能实现（并在更长的时间内保持）表面上无气体粒子。
其他物理特性也会随压力而变化。例如，在中等真空范围内，气体的热导率和内部摩擦对压力非常敏感。与之相反，在粗真空和高真空分区，这两种特性几乎与压力无关。因此，对于不同的真空范围，不仅是要达到这些压力所需的泵不同，使用的真空计也不同。图 9.16 和 9.16a 显示了各个压力范围所适用的泵和测量仪表的清晰布置。
图 9.16 真空泵的常见工作范围
图 9.16a 常用真空计的测量范围
单位和定义
体积 V（l、m3、cm3）
术语“体积”用于表示
a) 真空室或完整真空系统（包括所有管路和连接空间）的纯几何（通常已预先确定）容积（此体积可以计算得出）；
b) 与压力有关的气体或蒸气体积，例如，由泵移动的体积，或被吸附剂吸附的体积。
体积流量（流量体积）qv (l/s, m3/h, cm3/s)
术语“流量”表示在特定时刻的压力和温度下，在单位时间内流经管道元件的气体量。在这里，必须要认识到，即使体积流量相同，移动的分子数量也可能会因压力和温度不同而异。
抽取速度 S (l/s, m3/h, cm3/s)
抽取速度是指流经泵进气口的容积流量。
(1.8a)
如果 S 在抽取过程中保持恒定，则可以使用差商而非微商：
(1.8b)
（与抽取速度一起使用的各种计量单位的换算表见表 6）。
表 6 抽取速度（体积流速）单位换算表
气体量（pV 值），(mbar ⋅ l)
气体的量可以通过以常用质量或重量单位表示的质量或重量来表示。但在实际应用中，与一定数量的气体的质量或重量相比，真空技术更加关注 p · V 的乘积。该值包含一个能量量纳，并以毫巴 · 升 (mbar · l) 为单位指定（式 1.7）。如果已知气体的性质和温度，就可以使用式 1.7b 依据 p · V 的乘积计算气体量的质量 m：
(1.7)
(1.7b)
在实际应用中，通常会提到某种气体的“气体量”p · V，尽管这种叫法并不完全准确。因为该规格值不完整，气体的温度 T 通常默认假设为已知，一般为室温 (293 K)。
示例：
室温（约 300 K）下 100 mbar · l 氮气 (N2) 的质量为：
与此类似，T = 300 K 时：
1 mbar · l O2 = 1.28 · 10-3 g O2
70 mbar · l Ar = 1.31 · 10-1 g Ar
单位时间内流经管道元件的气体量（根据上述气体量的两个概念）可以通过以下两种方式之一来表示：
质量流量 qm (kg/h, g/s)，
此为特定时间内流经管道元件的气体量
或者
pV 流量 qpV (mbar · l · s–1)。
pV 流量是指流经管道元件的一定量气体的压力和体积的乘积除以时间，即：
pV 流量是气体质量流量的测量值；使用时要指明温度。
泵气载量 qpV
泵的抽取容量（气载量）等于通过泵进气口的质量流量：
(1.9)
或通过泵的进气口的 pV 流量：
通常以 mbar · l · s–1 为单位。此处 p 为泵进气侧的压力。如果泵进气侧的 p 和 V 恒定，则可使用简单的计算式表示泵的气载量
(1.10a)
式中 S 是进气压力为 p 时泵的抽取速度。
（泵的气载量也通常用 Q 表示。）
泵气载量的概念在实际应用中非常重要，千万不能与抽取速度混淆！泵气载量是指泵在单位时间内移动的气体量，以 mbar ≠ l/s 为单位；抽取速度则是指泵可在特定单位时间内提供的“输送能力”，以 m3/h 或 l/s 为单位。
气载量值是确定前级泵规格与串联的高真空泵规格的关系时的重要考量因素，以确保前级泵能够“泵走”高真空泵移动的气体。
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参考资料
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真空符号
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单位术语表
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参考资料和来源
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