Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6995
Strömung von Gasen in prismatischen Kanälen konstanter Temperatur bei beliebigen Knudsen-Zahlen
Gottfried Class, Andreas G. Class
Zusammenfassung
Bei der Strömung verdünnter Gase in Rohren, bzw.
allgemein in prismatischen Kanälen konstanter Temperatur, tritt das seit 1909
bekannte Minimum des Leitwertes bei Knudsen-Zahlen um etwa 1 bis 10 auf. In der
vorliegenden Arbeit wird eine geschlossene Gleichung für den Leitwert
vorgeschlagen und physikalisch begründet. Diese ist nicht als
Interpolationsfunktion anzusehen. Der Gültigkeitsbereich deckt den ganzen
Existenzbereich der Knudsen-Zahlen und beliebige Rohrlängen ab. Allerdings
wurde der mögliche Einfluß der Akkomodation nicht berücksichtigt. Anhand von
neueren Meßdaten aus dem Schrifttum konnte das Modell nicht nur durchgehend
bestätigt werden, sondern es konnten auch wichtige Einblicke in das
Widerstandsgesetz für Blenden und kurze Rohre bei Annäherung an den
Knudsenbereich gewonnen werden. Die gewonnenen Beziehungen erlauben die
Berechnung der Rohrströmung für alle Anwendungsbereiche der Vakuumtechnik.
Darüber hinaus wird gezeigt, mit welchen Methoden, ohne neue experimentelle
Daten beschaffen zu müssen, die Strömungsbeschreibung auch auf andere
prismatische, isotherme Strömungskanäle erweitert werden kann. Die vorgestellte
Arbeit liefert erstmals eine anschauliche Erklärung des Knudsen-Minimums.
Flow
of gases in isothermal prismatic channels at arbitrary Knudsen-numbers
Abstract
For
rarified gas flow in ducts or channels of prismatic cross section a minimum of
the flow resistance, which is known since 1909, is observed for Knudsen-number
ranging from 1 to 10. In the present study a closed relation for the flow
resistance is proposed and physically justified. This relation should not be
interpreted as an interpolation formula. The relation is applicable to any
Knudsen-number and channels of arbitrary length. However, potential
accommodation effects are not considered yet. Employing recent experimental
data from the literature the model is verified for a wide range of parameters
and new physical insight is gained with respect to the flow resistance of short
channels and orifice plates when Knudsen-flow is approached. The present study
allows for improved computations of channel flow in all vacuum technology
applications. Furthermore, we provide methods to extend our results to other
isothermal prismatic channel cross sections, which are not explicitly studied
in the present work, without resorting to additional experimental data. In the
present study we provide the first phenomenological explanation of the
Knudsen-minimum.
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