多級漏孔泄漏分析及其漏率預測方法研究
為了評估氣體介質(zhì)經(jīng)多級漏孔的泄漏量，指導多道密封結構的安全設計，有必要研究氣體經(jīng)多級漏孔的泄漏特性。通過(guò)建立雙級與多級漏孔的數學(xué)模型，在不同的初始條件下對多級漏孔的泄漏特性進(jìn)行了計算分析。結果表明：多級漏孔的穩定漏率僅與各級獨立漏孔漏率有關(guān)，與中間空腔體積無(wú)關(guān)，其倒數等于各級漏孔漏率的倒數之和。影響穩定時(shí)間的因素包括末級漏孔的漏率、其余各級漏孔組成的多級漏孔漏率以及中間空腔的容積。利用分析結果，提出了多級漏孔漏率的預測方法。
密封與泄漏是對立統一、互為依存的一對現象。在真空技術(shù)領(lǐng)域中，密封結構的密封性能通常都以漏孔的漏率來(lái)描述，本文以多級漏孔替代多級密封結構分析其氣體泄漏特性。漏孔通常被認定為單個(gè)長(cháng)圓形管道結構，而實(shí)際中遇到的漏孔以多級漏孔最為常見(jiàn)。所謂多級漏孔，是由兩級或兩級以上的單個(gè)漏孔多級而成，各級漏孔之間存在中間空腔，如雙面焊兩側接縫均存在漏孔而形成的組合式漏孔（如圖1 左），或是專(zhuān)門(mén)設計的多道密封結構存在貫穿各密封結構的漏隙，如圖1 右所示多道密封法蘭。
圖1 典型的多級漏孔結構形式
相對于單個(gè)漏孔，氣體經(jīng)多級漏孔的泄漏過(guò)程比較復雜，其漏率按特定的趨勢變化，并且穩定時(shí)間較長(cháng)。本文通過(guò)建立氣體經(jīng)多級漏孔泄漏過(guò)程的數學(xué)模型方程，求解方程并進(jìn)行計算分析，研究了氣體經(jīng)多級漏孔泄漏的基本特性，探討多級漏孔的氣體泄漏規律。
1、數學(xué)建模
氣體在壓差或濃度差的驅動(dòng)下由多級漏孔的一側向另一側泄漏，其泄漏過(guò)程如圖2：對多級漏孔一側持續施加某種氣體，該氣體通過(guò)第一級漏孔漏入一、二級漏孔間的中間空腔，導致空腔內該氣體壓力和濃度的逐步升高；與此同時(shí)，空腔內的氣體通過(guò)二級漏孔向下一級泄漏，引起相應空間的氣壓變化，其漏率隨二級漏孔兩側氣體的壓力或濃度差增大而增大；以此類(lèi)推直至最末級漏孔，當單位時(shí)間漏入與漏出最末兩級漏孔間中間空腔的氣體量相同時(shí)，漏孔達到穩態(tài)，多級漏孔及組成它的各級獨立漏孔的漏率達到恒定。自始至終，氣體通過(guò)整個(gè)多級漏孔的漏率由氣體流經(jīng)最末級漏孔的實(shí)時(shí)漏率所決定，由于最末級漏孔前的各個(gè)中間空腔內的氣體壓力和濃度都是逐漸增加并最終穩定的，因此多級漏孔的實(shí)時(shí)漏率也是逐步升高并最終穩定的。
圖2 多級漏孔泄漏的數學(xué)模型
為簡(jiǎn)化分析推導過(guò)程，本文研究對象只針對氣體以分子流流態(tài)通過(guò)的漏孔，文獻2指出氣體通過(guò)漏率小于1.0×10-7Pa·m3/s 的漏孔時(shí)均為分子流。
4、結論
�。�1）穩定狀態(tài)下多級漏孔的漏率僅與各級獨立漏孔的漏率有關(guān)，而與中間空腔的容積無(wú)關(guān)。穩定漏率的倒數等于各級漏孔漏率的倒數之和，即1/Q∞= 1/Q1+ 1/Q2+…+ 1/Qn。
�。�2）影響多級漏孔漏率的穩定時(shí)間主要有三個(gè)參數：末級漏孔的漏率、其余各級漏孔組成的多級漏孔（對于雙級漏孔，即第一級漏孔）的漏率以及中間空腔的容積。穩定時(shí)間隨前兩個(gè)參數的增加而縮短、隨空腔容積的增大而顯著(zhù)延長(cháng)。
�。�3） 基于氣體經(jīng)多級漏孔的泄漏特性，提出了多級漏孔的漏率預測方法。該方法可用于評估氣體介質(zhì)的泄漏指標，并可指導多道密封結構的安全設計。
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