Газовая динамика

Газовая динамика - раздел гидроаэромеханики, в котором изучается движение сжимаемых сплошных сред (газа, плазмы) и их взаимодействие с твердыми телами. Как часть физики, газовая динамика связана с термодинамикой и акустикой.

Свойство сжимаемости состоит в способности вещества изменять свой первоначальный объём под действием перепада давления или при изменении температуры. Сжимаемость становится существенной при больших скоростях движения среды, соизмеримых со скоростью распространения звука в этой среде и превосходящих её, т. к. при таких скоростях в среде могут возникать большие перепады давления (см. Бернулли уравнение) и большие градиенты температуры. В современной газовой динамике изучают также течения газа при высоких температуpax, сопровождающиеся химическими (диссоциация, горение и др. химические реакции) и физическими (ионизация, излучение) процессами. Изучение движения электропроводных газов в присутствии магнитных и электрических полей составляет предмет магнитной газодинамики. Движение газов при таких условиях, когда газ нельзя считать сплошной средой, а необходимо рассматривать взаимодействие составляющих его молекул между собой и с твердыми телами, относится к области динамики разреженного газа, основанной на молекулярно-кинетической теории газов. Динамика больших воздушных масс при малых скоростях движения составляет основу динамической метеорологии. Газовая динамика исторически возникла как дальнейшее развитие и обобщение аэродинамики, поэтому часто говорят о единой науке — аэрогазодинамике.

Исходные уравнения газовой динамики являются следствием применения основных законов механики и термодинамики к движущемуся объёму сжимаемого газа. Неустановившиеся движения вязкого сжимаемого газа, когда параметры газового потока в каждой его точке изменяются с течением времени, описываются полными Навье — Стокса уравнениями. Одной из основных физических особенностей движения сжимаемых сред является возможность образования и распространения в них ударных волн, которые движутся со скоростью, превышающей скорость распространения звук. волн и представляют собой узкую область чрезвычайно больших градиентов давления, плотности, температуры и скорости газа.

Интенсивное развитие газовой динамики связано с быстрым развитием соответствующих областей техники: реактивной авиации, ракетного оружия, созданием атомных и водородных бомб, взрыв которых влечёт за собой распространение сильных взрывных и ударных волн. Задачи газовой динамики при проектировании разнообразных аппаратов, двигателей и газовых машин состоят в определении сил давления и трения, температуры и теплового потока в любой точке поверхности тела или канала, омываемых газом, в любой момент времени. При исследовании распространения газовых струй, взрывных и ударных волн, горения и детонации методами газовой динамики определяются давление, температуpa и др. параметры газа во всей области распространения. Изучение поставленных техникой сложных задач превратило современную газовую динамику в науку о движении произвольных смесей газов, которые могут содержать также твёрдые и жидкие частицы (например, выхлопные газы ракетных двигателей на жидком или твёрдом топливе), причём параметры, характеризующие состояние этих газов — давление, температуpa, плотность, электропроводность и др., могут изменяться в самых широких пределах.

Законами газовой динамики широко пользуются во внешней и внутренней баллистике, при изучении взрыва, горения, детонации, конденсации в движущемся потоке.

Для современной газовой динамики характерно неразрывное сочетание расчётно-теоретических методов, использование ЭВМ и постановка сложных аэродинамических и физических экспериментов. Теоретические представления, частично опирающиеся на найденные экспериментальным путём закономерности, позволяют описать с помощью соответствующих уравнений движение газовых смесей сложного состава, в т. ч. многофазных смесей при наличии физико-химических и фазовых превращений. Методами прикладной математики разрабатываются эффективные способы решения этих уравнений на ЭВМ. Наконец, из экспериментальных данных определяются необходимые значения физических и химических характеристик, свойственных изучаемой среде и рассматриваемым процессам (коэффициент вязкости, теплопроводности, скорости химических реакций, времена релаксации и др.).

Многие задачи, поставленные современной техникой перед газовой динамикой, пока не могут быть решены расчётно-теоретическими методами, в этих случаях широко пользуются газодинамическими экспериментами, поставленными на основе подобия теории и законов гидродинамического и аэродинамического моделирования. Газодинамические эксперименты проводятся в сверхзвуковых и гиперзвуковых аэродинамических трубах, на баллистических установках, в ударных и импульсных трубах и на других газодинамических установках специального назначения (см. Аэродинамические измерения). Прикладная газовая динамика, в которой обычно применяются упрощённые теоретические представления об осреднённых по поперечному сечению параметрах газового потока и основные закономерности движения, найденные экспериментальным путём, используется при расчёте компрессоров и турбин, сопел и диффузоров, ракетных двигателей, аэродинамических труб, эжекторов, газопроводов и многих других технических устройств.