闡述了真空系統(tǒng)的流態(tài)判別、流導(dǎo)計(jì)算及抽氣時(shí)間、壓力變化等計(jì)算方法，在此基礎(chǔ)上采用Visual Basic 6.0 對(duì)真空系統(tǒng)計(jì)算部分進(jìn)行了軟件開發(fā)。軟件界面清晰，易于操作，便于技術(shù)人員掌握。

　　真空系統(tǒng)是由真空室、真空泵、真空閥門、連接管道、真空測(cè)量裝置等元件組裝而成的具有獲得、測(cè)量和控制真空室內(nèi)真空度的系統(tǒng)，目前廣泛運(yùn)用于機(jī)械、車輛、包裝、醫(yī)藥及醫(yī)療器械、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域。標(biāo)準(zhǔn)的真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序應(yīng)包括：真空室內(nèi)總放氣量的計(jì)算；根據(jù)要求選擇真空閥門、捕集器、除塵器、真空管道等真空元件，并進(jìn)行流導(dǎo)計(jì)算；確定真空室有效抽速；粗選主泵和粗配前級(jí)泵等；繪制真空系統(tǒng)裝配草圖，確定各個(gè)部分的尺寸；精算各真空泵，使其滿足給定的參數(shù)要求；繪制尺寸精確的真空系統(tǒng)裝配結(jié)構(gòu)圖；拆零件圖；繪制施工圖紙。

　　在真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算中，以真空系統(tǒng)抽氣時(shí)間與壓力計(jì)算最為主要。而這部分的計(jì)算公式復(fù)雜、計(jì)算量大，完全交由人工計(jì)算的話相當(dāng)費(fèi)時(shí)。因此，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)出真空系統(tǒng)的計(jì)算軟件是十分有必要的。筆者基于Visual Basic6.0 對(duì)連接管道為普通圓管的真空系統(tǒng)的計(jì)算軟件進(jìn)行了開發(fā)，最終能夠通過該軟件計(jì)算出該系統(tǒng)的抽氣時(shí)間、真空泵的有效抽速、真空系統(tǒng)中的壓力變化情況等相關(guān)參數(shù)。

1、真空系統(tǒng)的計(jì)算

　　真空系統(tǒng)計(jì)算的主要內(nèi)容有3 個(gè)部分，即流態(tài)判別、流導(dǎo)計(jì)算以及抽氣時(shí)間計(jì)算。氣體的流態(tài)不同會(huì)導(dǎo)致管道的流導(dǎo)不同，而流導(dǎo)又會(huì)影響真空系統(tǒng)抽氣時(shí)間及其他相關(guān)參數(shù)。所以真空系統(tǒng)的計(jì)算步驟是先判別流態(tài)，而后計(jì)算流導(dǎo)，在這兩步的基礎(chǔ)上完成抽氣時(shí)間及其他相關(guān)參數(shù)的計(jì)算。

　　1.1、流態(tài)判別

　　流態(tài)，即真空管道內(nèi)氣體的流動(dòng)狀態(tài)，可分為三種基本狀態(tài)：湍流、黏滯流與分子流，及過渡區(qū)域：湍- 黏滯流和黏滯- 分子流。在真空系統(tǒng)中，系統(tǒng)從大氣壓開始抽氣時(shí)，湍流只發(fā)生于初始階段，而且持續(xù)時(shí)間非常短，很快便進(jìn)入黏滯流狀態(tài)，于是，湍流狀態(tài)在真空系統(tǒng)中可以忽略，只需要考慮黏滯流狀態(tài)、分子流狀態(tài)、以及它們的過渡狀態(tài)———黏滯- 分子流狀態(tài)。

　　在此階段中，需要得到的是各壓力范圍分屬的流態(tài)。根據(jù)克努森判別式及氣體分子的平均自由程公式，得到流態(tài)判別式為：

　　式中，p 為管道內(nèi)氣體的平均壓力，Pa；k 為玻耳茲曼常數(shù)，k=1.38×10^-23 J/K；T 為氣體的熱力學(xué)溫度，K；σ 為氣體分子的有效直徑，m；D 為管道直徑，m。

　　1.2、流導(dǎo)計(jì)算

　　流導(dǎo)，即管路的導(dǎo)通能力，表示氣流在管路中的通過能力。流導(dǎo)越大，氣體越能順利通過，因此真空系統(tǒng)中的各元件都希望流導(dǎo)盡可能的大。流態(tài)不同，管道的長短不同等，這些因素都會(huì)導(dǎo)致管道內(nèi)流導(dǎo)的變化，需具體分析。

　　(1)黏滯流流導(dǎo)計(jì)算

　　根據(jù)流導(dǎo)的定義以及圓柱坐標(biāo)下的泊松方程式可以得到黏滯流流導(dǎo)的計(jì)算公式：

　　式中，D 為管道直徑，m；p軈 為管道內(nèi)氣體的平均壓力，Pa；η 為氣體的內(nèi)摩擦系數(shù)，Pa·s；L 為管道長度，m；μ 為氣體的摩爾質(zhì)量，kg/mol；Q 為氣體流量，m³/s；T 為氣體的熱力學(xué)溫度，K。而氣體的內(nèi)摩擦系數(shù)的計(jì)算公式如下所示：

　　式中，η0，大氣為在0℃、一個(gè)大氣壓下氣體的內(nèi)摩擦系數(shù)，C 為肖杰倫特常數(shù)，此兩值均為定值，可查詢得到。

2、程序的開發(fā)

　　依據(jù)真空計(jì)算的理論部分，由于高低真空抽氣階段的計(jì)算方法有所不同，真空計(jì)算軟件可從低真空和高真空兩個(gè)抽氣階段來分開考慮。設(shè)計(jì)的軟件初始界面如圖1 所示：

圖1 真空系統(tǒng)計(jì)算軟件初始界面

　　由此，便進(jìn)入兩種階段的各自計(jì)算界面。

　　2.1、低真空抽氣階段設(shè)計(jì)

　　(1)輸入部分

　　對(duì)于低真空抽氣階段，所采用的真空泵大部分為變抽速泵，即泵的抽速不是恒定的，會(huì)隨壓力的變化而變化，能得到的是該泵的抽氣特性曲

　　線。因此，需要對(duì)抽氣壓力與抽速進(jìn)行分段考慮，將每段壓力的抽速視為恒定值，從而簡(jiǎn)化泵的參數(shù)以便于后面的流導(dǎo)及抽氣時(shí)間計(jì)算。對(duì)低真空泵的參數(shù)設(shè)定界面如圖2 所示：

圖2 低真空泵的參數(shù)設(shè)定界面

　　雖然軟件中僅將壓力分為了5 段，但使用者可以根據(jù)自己的需求改變初始及終止壓力，進(jìn)行多次計(jì)算，從而得到更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

　　由低真空抽氣階段的理論部分分析可知，除了泵的參數(shù)設(shè)定外，低真空計(jì)算部分所需要的輸入還包括真空室容積大小、真空系統(tǒng)的漏氣量、管道尺寸(直徑及長度)、以及所充氣體的相關(guān)參數(shù)(氣體分子的有效直徑、摩爾質(zhì)量、內(nèi)摩擦系數(shù))、工作溫度等。對(duì)于所需的氣體參數(shù)，由于每種氣體在特定溫度下的參數(shù)是確定的，基于人性化設(shè)計(jì)，已將真空系統(tǒng)中常用的6 種氣體(空氣、氮?dú)狻⒀鯕狻�氫氣、氦氣、氬�?的相應(yīng)參數(shù)輸入進(jìn)程序，這樣使用者可以通過直接選擇所充氣體的類型、輸入工作溫度來得到相應(yīng)的氣體參數(shù)。低真空階段的輸入部分界面設(shè)計(jì)如圖3 所示：

圖3 低真空階段的輸入部分界面

　　(2)計(jì)算部分

　　低真空抽氣階段的計(jì)算部分包括流態(tài)判定、流導(dǎo)計(jì)算及抽氣時(shí)間計(jì)算3 部分。由理論分析部分可以得到這3 部分的計(jì)算公式，通過VB 將其

　　導(dǎo)入程序，加上輸入部分，便能得到所需的數(shù)據(jù)。需要考慮的是，在黏滯流及黏滯分子流狀態(tài)下，

　　管道的流導(dǎo)與管道內(nèi)的平均壓力有關(guān)，而低真空泵我們已進(jìn)行分段考慮，所以需要根據(jù)真空泵的分段相應(yīng)的得到各段壓力下管道的流導(dǎo)值。本軟件通過程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)低真空泵的具體分段以及各流態(tài)下的管道壓力區(qū)間，自動(dòng)進(jìn)行壓力劃分，從而可以得到每段壓力的具體數(shù)據(jù)。黏滯流與黏滯分子流的流導(dǎo)計(jì)算界面如圖4、圖5 所示：

圖4 黏滯流的流導(dǎo)計(jì)算界面

圖5 黏滯分子流的流導(dǎo)計(jì)算界面

　　綜合輸入部分及計(jì)算部分，得到的低真空抽氣階段的程序界面如圖6、圖7 所示：

圖6 低真空抽氣階段的主界面

圖7 低真空抽氣階段的結(jié)果界面

　　2.2、高真空抽氣階段設(shè)計(jì)

　　由于高真空泵的抽速往往視為恒定值，而且高真空抽氣階段中管道所處流態(tài)主要是分子流，而少量的黏滯分子流，其流導(dǎo)工程上允許用分子流流導(dǎo)計(jì)算代替，故高真空抽氣階段的設(shè)計(jì)中，無需對(duì)泵的壓力進(jìn)行分段，也無需進(jìn)行流態(tài)判別。但是，由于高真空狀態(tài)下，微漏、滲透、蒸發(fā)以及材料的表面解吸上升為主要的氣體負(fù)荷，其中微漏、滲透和蒸發(fā)的氣流量往往對(duì)于每個(gè)真空系統(tǒng)都近似為常量，而材料的表面解吸，其氣流量不僅與材料本身有關(guān)，還是抽氣時(shí)間的函數(shù)，因此，相對(duì)于低真空抽氣階段的輸入部分，高真空階段增加了系統(tǒng)中微漏、滲透和蒸發(fā)的氣流總量以及真空室所用材料的參數(shù)設(shè)定這兩個(gè)輸出。對(duì)于真空室所用材料的參數(shù)設(shè)定，基于人性化設(shè)計(jì)，已將真空室內(nèi)常用的3 種主體材料(不銹鋼1Cr18Ni9Ti、氟橡膠、有機(jī)玻璃等)在一般情況下的相應(yīng)參數(shù)輸入到程序，這樣使用者可以通過直接選擇材料的類型來得到相應(yīng)的參數(shù)(表面粗糙度、放氣時(shí)間指數(shù)以及抽氣1h 后的放氣率)；與此同時(shí)，使用者也可以根據(jù)實(shí)際情況直接輸入材料相關(guān)參數(shù)，以應(yīng)對(duì)各材料在使用前可能會(huì)進(jìn)行機(jī)械拋光、洗滌、烘烤等處理而導(dǎo)致的出氣率變化。其界面如圖8、圖9 所示：

圖8 高真空抽氣階段的主界面

圖9 真空室參數(shù)設(shè)定界面

　　軟件最后能得到所給的真空系統(tǒng)從起始?jí)毫Τ闅獾浇K止壓力所需的抽氣時(shí)間，以及該段時(shí)間內(nèi)壓力變化數(shù)據(jù)及變化曲線。從而為使用者對(duì)該系統(tǒng)的抽氣時(shí)間提供理論數(shù)據(jù)。同時(shí)，軟件也能夠僅進(jìn)行流態(tài)的判別或流導(dǎo)計(jì)算，節(jié)省設(shè)計(jì)人員的計(jì)算時(shí)間。

3、結(jié)束語

　　利用VB進(jìn)行真空系統(tǒng)計(jì)算軟件的開發(fā)，能夠完成流態(tài)判別、流動(dòng)計(jì)算及抽氣時(shí)間、壓力變化曲線等多種功能，大大節(jié)省了設(shè)計(jì)人員的計(jì)算時(shí)間，提高了工作效率。