Выделяют три типа потоков в вакууме.

  • Вискозный, или ламинарный поток: может быть наблюдаем при атмосферном давлении, многочисленные молекулы движутся рядом друг с другом и задают направление потока; здесь решающую роль играют физические эффекты плотности газов, такие как динамическая вязкость. Направление всех молекул газа соответствует макроскопическому направлению потока газа, как показано на рисунке, приведенном ниже. Поток направляется вязкими силами и остается с течением времени постоянным;

 

Закон Пуазёйля описывает вискозный поток через трубку с круглым сечением:

  • где r - радиус трубки, с длиной l, η показывает динамическую вязкость газа, а p обозначает различные давления.


    В следующей таблице приведены важнейшие значения динамической вязкости газов и хладагентов:
  • Тип газа Химическая формула Вязкость при 15оС в Paс
    Воздух 18.0 10-6
    Азот N2 17.3 10-6
    Кислород O2 20.0 10-6
    Аргон Ar 21.9 10-6
    Водород H2 8.7 10-6
    Гелий He 19.4 10-6
    Углекислый газ CO2 14.5 10-6
    R-12 CCI2F2 11.6 10-6
    R-22 CHCIF2 12.4 10-6
    R-134a CH2F-CF3 11.6 10-6
    R-600a CH(CH3)2-CH3 7.4 10-6

Молекулярный поток возникает, когда плотность молекул невелика, то есть при высоком вакууме. Что же касается средней длины свободного пробега, вероятность столкновения молекул друг с другом ниже, чем вероятность столкновения между молекулой и стеной. В результате упругого отражения и десорбции частица газа движется в произвольном направлении, поэтому макроскопический поток не возникает. Газ движется в хаотичном порядке, а не упорядоченным образом, как это происходит в случае с ламинарным потоком.

Формула молекулярного потока:

Где R – константа идеальных газов, Т – абсолютная температура, М – относительная масса, d – диаметр трубы, I – длина и р – давление.

  • Для потока- Кнудсен, или переходного потока, трудно дать определение, также как и трудно определить, каким законам подчиняются газы при переходе от вискозного потока к молекулярному или наоборот.

Возможно представить формулу как сумму вкладов двух других потоков:

Чтобы лучше понять типичные области вакуума и потоков, возникающих в течи, и тем самым облегчить определение процесса или быстрее выбрать наиболее подходящие компоненты, весь диапазон низких давлений, или вакуума, на основе типичных эффектов и характера потока был разделен на категории, что и показано в следующей таблице. Здесь приведена разбивка областей вакуума в соответствии с давлением. Показаны характеристики и типичные эффекты. Символ λ (Лямбда) означает «свободный пробег»: средняя длина пути, пройденного молекулой между двумя следующими друг за другом столкновениями; ZА указывает количество столкновений молекулы с площадью поверхности за единицу времени; Наконец, формирование пласта t указывает время, необходимое для покрытия чистой площади поверхности в вакуумных условиях слоем газа толщиной в одну молекулу.   

Давление

(mbar)

(cm)

ZA

(coll.cm-2.s-1)

Время формирования пласта
Типичные эффекты Вид потока
Низкий вакуум 1<p<103 λ<10-2 1017<ZA< 1023 t<10-5 Условно-зависимое давление Ламинарный (вискозный)
Средний вакуум 10-3 <p<1 10-2<λ<10 109 < ZA <1017 10-5 <t<10-2 критические изменения теплопроводности газа Кнудсен
Высокий вакуум 10-7<p<10-3 10< λ<10-3 ZA <109 10-2 <t<100 Значительное снижение степени влияния Молекулярный
Ультра-высокий вакуум P<10-7 λ>105 ZA <109 t>100 Доминируещее влияние поверхности Молекулярный

 

Данная таблица показывает длину свободного пробега различных газов при различных давлениях:

Давление(Pa) 10-6 10-3 1 103 105
Cредняя длина свободного пробега km m mm µm nm
Воздух 6.8 6.8 6.8 6.8 68
Аргон 7.2 7.2 7.2 7.2 72
СО2 4.5 4.5 4.5 4.5 45
Водород 12.5 12.5 12.5 12.5 125
Водный пар 4.2 4.2 4.2 4.2 42
Гелий 19.6 19.6 19.6 19.6 196
Азот 6.7 6.7 6.7 6.7 67
Неон 14.0 14.0 14.0 14.0 140
Кислород 7.2 7.2 7.2 7.2 72
Давление (mbar) 10-8 10-5 10-2 10 1000