闡述了真空系統(tǒng)的流態(tài)判別、流導計算及抽氣時間、壓力變化等計算方法，在此基礎上采用Visual Basic 6.0 對真空系統(tǒng)計算部分進行了軟件開發(fā)。軟件界面清晰，易于操作，便于技術人員掌握。

　　真空系統(tǒng)是由真空室、真空泵、真空閥門、連接管道、真空測量裝置等元件組裝而成的具有獲得、測量和控制真空室內(nèi)真空度的系統(tǒng)，目前廣泛運用于機械、車輛、包裝、醫(yī)藥及醫(yī)療器械、航空航天等各個領域。標準的真空系統(tǒng)設計程序應包括：真空室內(nèi)總放氣量的計算；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，并進行流導計算；確定真空室有效抽速；粗選主泵和粗配前級泵等；繪制真空系統(tǒng)裝配草圖，確定各個部分的尺寸；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)裝配結構圖；拆零件圖；繪制施工圖紙。

　　在真空系統(tǒng)的設計計算中，以真空系統(tǒng)抽氣時間與壓力計算最為主要。而這部分的計算公式復雜、計算量大，完全交由人工計算的話相當費時。因此，利用計算機技術設計出真空系統(tǒng)的計算軟件是十分有必要的。筆者基于Visual Basic6.0 對連接管道為普通圓管的真空系統(tǒng)的計算軟件進行了開發(fā)，最終能夠通過該軟件計算出該系統(tǒng)的抽氣時間、真空泵的有效抽速、真空系統(tǒng)中的壓力變化情況等相關參數(shù)。

1、真空系統(tǒng)的計算

　　真空系統(tǒng)計算的主要內(nèi)容有3 個部分，即流態(tài)判別、流導計算以及抽氣時間計算。氣體的流態(tài)不同會導致管道的流導不同，而流導又會影響真空系統(tǒng)抽氣時間及其他相關參數(shù)。所以真空系統(tǒng)的計算步驟是先判別流態(tài)，而后計算流導，在這兩步的基礎上完成抽氣時間及其他相關參數(shù)的計算。

　　1.1、流態(tài)判別

　　流態(tài)，即真空管道內(nèi)氣體的流動狀態(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，湍流只發(fā)生于初始階段，而且持續(xù)時間非常短，很快便進入黏滯流狀態(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、流導計算

　　流導，即管路的導通能力，表示氣流在管路中的通過能力。流導越大，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盡可能的大。流態(tài)不同，管道的長短不同等，這些因素都會導致管道內(nèi)流導的變化，需具體分析。

　　(1)黏滯流流導計算

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

　　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 為氣體的摩爾質量，kg/mol；Q 為氣體流量，m³/s；T 為氣體的熱力學溫度，K。而氣體的內(nèi)摩擦系數(shù)的計算公式如下所示：

　　式中，η0，大氣為在0℃、一個大氣壓下氣體的內(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)真空計算的理論部分，由于高低真空抽氣階段的計算方法有所不同，真空計算軟件可從低真空和高真空兩個抽氣階段來分開考慮。設計的軟件初始界面如圖1 所示：

圖1 真空系統(tǒng)計算軟件初始界面

　　由此，便進入兩種階段的各自計算界面。

　　2.1、低真空抽氣階段設計

　　(1)輸入部分

　　對于低真空抽氣階段，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，需要對抽氣壓力與抽速進行分段考慮，將每段壓力的抽速視為恒定值，從而簡化泵的參數(shù)以便于后面的流導及抽氣時間計算。對低真空泵的參數(shù)設定界面如圖2 所示：

圖2 低真空泵的參數(shù)設定界面

　　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，進行多次計算，從而得到更為精準的數(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)設定外，低真空計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參數(shù)(氣體分子的有效直徑、摩爾質量、內(nèi)摩擦系數(shù))、工作溫度等。對于所需的氣體參數(shù)，由于每種氣體在特定溫度下的參數(shù)是確定的，基于人性化設計，已將真空系統(tǒng)中常用的6 種氣體(空氣、氮氣、氧氣、氫氣、氦氣、氬氣)的相應參數(shù)輸入進程序，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的氣體參數(shù)。低真空階段的輸入部分界面設計如圖3 所示：

圖3 低真空階段的輸入部分界面

　　(2)計算部分

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

　　導入程序，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，

　　管道的流導與管道內(nèi)的平均壓力有關，而低真空泵我們已進行分段考慮，所以需要根據(jù)真空泵的分段相應的得到各段壓力下管道的流導值。本軟件通過程序設計，實現(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，自動進行壓力劃分，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計算界面如圖4、圖5 所示：

圖4 黏滯流的流導計算界面

圖5 黏滯分子流的流導計算界面

　　綜合輸入部分及計算部分，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果界面

　　2.2、高真空抽氣階段設計

　　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，其流導工程上允許用分子流流導計算代替，故高真空抽氣階段的設計中，無需對泵的壓力進行分段，也無需進行流態(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荷，其中微漏、滲透和蒸發(fā)的氣流量往往對于每個真空系統(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，還是抽氣時間的函數(shù)，因此，相對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)設定這兩個輸出。對于真空室所用材料的參數(shù)設定，基于人性化設計，已將真空室內(nèi)常用的3 種主體材料(不銹鋼1Cr18Ni9Ti、氟橡膠、有機玻璃等)在一般情況下的相應參數(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的參數(shù)(表面粗糙度、放氣時間指數(shù)以及抽氣1h 后的放氣率)；與此同時，使用者也可以根據(jù)實際情況直接輸入材料相關參數(shù)，以應對各材料在使用前可能會進行機械拋光、洗滌、烘烤等處理而導致的出氣率變化。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)設定界面

　　軟件最后能得到所給的真空系統(tǒng)從起始壓力抽氣到終止壓力所需的抽氣時間，以及該段時間內(nèi)壓力變化數(shù)據(jù)及變化曲線。從而為使用者對該系統(tǒng)的抽氣時間提供理論數(shù)據(jù)。同時，軟件也能夠僅進行流態(tài)的判別或流導計算，節(jié)省設計人員的計算時間。

3、結束語

　　利用VB進行真空系統(tǒng)計算軟件的開發(fā)，能夠完成流態(tài)判別、流動計算及抽氣時間、壓力變化曲線等多種功能，大大節(jié)省了設計人員的計算時間，提高了工作效率。