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第二章 氣流與傳導

第二章 氣流與傳導. Outline. 氣流 氣導. 氣流. 定義. 氣體基本的傳輸現象包括氣體的黏滯性（ Viscosity ），熱傳導性，擴散以及熱蒸發等等。 黏滯性 氣體的黏著力出現在氣體受到剪力作用時，例如氣體 流動於管子內時，管壁會對氣體產生阻力，於是氣體 的流速將會呈現不均勻的分佈，靠近管壁著氣體流速 接近於零，而以管中間部分流速最大。. Gas Flow. 氣體的流動依氣體分子的多寡程度而呈現不同風貌。 Knudsen’s number 以及 Reynold’s number 用來決定氣體的特性。

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第二章 氣流與傳導

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Presentation Transcript

  1. 第二章 氣流與傳導

  2. Outline • 氣流 • 氣導

  3. 氣流

  4. 定義 • 氣體基本的傳輸現象包括氣體的黏滯性（Viscosity），熱傳導性，擴散以及熱蒸發等等。 • 黏滯性 氣體的黏著力出現在氣體受到剪力作用時，例如氣體 流動於管子內時，管壁會對氣體產生阻力，於是氣體 的流速將會呈現不均勻的分佈，靠近管壁著氣體流速 接近於零，而以管中間部分流速最大。

  5. Gas Flow • 氣體的流動依氣體分子的多寡程度而呈現不同風貌。 • Knudsen’s number 以及Reynold’s number用來決定氣體的特性。 • 在高壓時，氣體的流動稱之為continuum flow（也稱之viscous flow)，此時分子間的相互碰撞是主要考量。經常以亂流方式出現，倘若管壁相當平滑則流動的方式可以以層流(Laminar flow)的方式進行

  6.  層流（Laminar flow）, 有時稱做線形流, 發生在沒有擾動的平行層間。在流體動力學,層流為一具有高動量擴散、低對流、壓力、速度的流動與時間無關的一個現象。其相反現象為窩流. 比較通俗的說法是層流為平順，亂流代表粗暴。  考慮在一個飛機翼上方的空氣的流動。 邊界層是一片非常薄的空氣延期翅膀(以及飛機的全部其他表面)的表面。 因為空氣有黏性，這層空氣傾向于粘翅膀。 翅膀最初邊界層透過天空向前走流動順利為精簡的機翼的形狀當時。 這裡流動被叫為laminar，邊界層是一個laminar層。 http://www.youtube.com/watch?v=p08_KlTKP50

  7. 當氣體分子的自由行程足以和管徑相似時，氣體流動時，分子間的碰撞問題將轉由考慮分子與管壁的問題，此時稱之為分子流(molecular flow)。 • 這兩種氣體的流動方式會有中間的過渡區，換句話說氣體流動時，分子間的相互碰撞或是分子與管壁的碰撞呈現相當的局面。

  8. 氣體流動的分類

  9. Knudsen’s number 定義為氣體的自由行程與所流動管徑的比值 • 當Kn<0.01時，該氣體的流動屬於continuum flow，該種流動往往在管徑中央流速最快，而接近管壁者流速最慢。 • 在continuum flow中，亂流與層流的分野可藉由Reynold’s number 來決定

  10. 當R>2200時，該氣體流動乃屬於亂流，當R<1200則氣體流動屬於層流，至於中間部份則是管壁的平滑或是幾何形狀來決定。當R>2200時，該氣體流動乃屬於亂流，當R<1200則氣體流動屬於層流，至於中間部份則是管壁的平滑或是幾何形狀來決定。 • 當Kn>1且R<1200則此時氣體的流動方式屬於分子流。分子流中氣體分子只考慮與管壁碰撞的問題，流動時，氣體分子縱使進入管內未必會沿著既有的方向前進，反之有可能以反方向運動。

  11. 氣體流動的分類

  12. 氣體流動的分類

  13. 氣導

  14. 氣體通量,質量流 • 氣體通量定義為每單位時間內通過固定平面的氣體量 • 其單位為J/s • Mass Flow則是每單位時間內有多少分子經過，其單位為kg-moles/s，該值與Throughput的關連，唯有在溫度以之下才有下列關係

  15. 氣導之計算 • 管路的氣導值，會隨著壓力改變而有所改變，當氣體呈現亂流或是分子流時，雖是同一口徑但是氣導值的是不相同。通常我們處理真空時都是在分子流狀態，因此分子流所產生之氣導值是下列介紹對象。 • Aperture 的氣導值計算 • 空間Ａ(P1)與空間Ｂ(P2)藉一aperture相連，從Ａ到Ｂ的氣體通量為

  16. 氣導之計算

  17. 穿透機率 • Davis與Levenson等人利用Monte-Carlo的方法計算氣導。他們所採取的方法是，給每一個分子在進入管子內時，可以擁有各種速度，同時在撞擊到管壁時，可以被停住同時再被釋放，所走的途徑完全是直線同時隨機取樣。 • 分子離開管壁時其數量在方向上的分佈是採與下列公式

  18. 穿透機率 • 計算值與量測值的比值可以得出穿透機率 • Davis,Levenson 和Milleron便利用該方法以aperture的氣導值和實驗值做比較來檢驗長管的穿透機率

  19. 真空系統氣體的來源 • 抽真空時，真空系統的氣體來源來自下列數個地方 • 系統在未抽真空時，本身具有的大氣 • 由於洩漏之故，所溜進系統內的氣體 • 系統材料本身所溢出之氣體 • 系統材料本身的蒸氣壓 • 大氣氣體藉由滲透方式進入腔體的氣體

  20. 真空系統抽氣速率之計算

  21. 抽氣時間與抽氣速率之關係

  22. 氣導 • 當氣體流過一管子時，管子兩端的壓力差與該管的throughput決定該管的氣導值 • 真空系統的組裝，將會有不同的管徑或通道，因此在管路相連結時，其各管徑的氣導會有加成的作用。管路的串連與並聯其結果不一樣

  23. 氣導的計算 • 氣體管路的連接可視同電路連接一般，習慣上將氣導給予導數變成氣阻。 • 當管路串聯時，其總氣阻為各氣阻的加成，當管路並聯時，其總氣導為各氣導的加成。 • 串聯 • 並聯

  24. 真空管路與電路之比較

  25. 管路串聯與電路串聯比較圖

  26. 管路並聯與電路並聯比較圖

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