Газовая динамика

Газовая динамика (далее Г) раздел гидро-аэромеханики, в котором изучается движение сжимаемых газообразных и жидких сред и их взаимодействие с твердыми телами. Как часть физики, Г связана с термодинамикой и акустикой.

Свойство сжимаемости состоит в способности вещества изменять свой первоначальный объем под действием перепада давления или при изменении температуры. Поэтому сжимаемость становится существенной лишь при больших скоростях движения среды, соизмеримых со скоростью распространения звука в этой среде и превосходящих ее, когда в среде возникают большие перепады давления (см. Бернулли уравнение) и большие градиенты температуры. Современная Г изучает также течения газов при высоких температурах, сопровождающиеся (диссоциация, горение и др. реакции) и физическими (ионизация, излучение) процессами. Изучение движения 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 аэродинамики разреженных газов, основанной на молекулярно-кинетической теории газов. Динамика сжимаемого газа при малых скоростях движения больших воздушных масс в атмосфере составляет основу динамической метеорологии. Г исторически возникла как дальнейшее развитие и обобщение аэродинамики, поэтому часто говорят о единой науке - аэрогазодинамике.

Теоретическую основу Г составляет применение основных законов механики и термодинамики к движущемуся объему сжимаемого газа. Навье - Стокса уравнения, описывающие движение вязкого сжимаемого газа, были получены в 1-й половине 19 в. Немецкий ученый Б.Риман (1860), английский - У. Ранкин (1870), французский -А. Гюгоньо (1887) исследовали распространение в газе ударных волн, которые возникают только в сжимаемых средах и движутся со скоростью, превышающей скорость распространения в них звуковых волн. Риман создал также основы теории неустановившихся движений газа, т. е. таких движений, когда параметры газового потока в каждой его точке изменяются с течением времени.

Фундаментальную роль в формировании Г как самостоятельной науки сыграла опубликована в 1902 работа С. А. Чаплыгина "О газовых струях". Развитые в ней методы решения газодинамических задач получили впоследствии широкое распространение и обобщение. Плодотворный метод решения задач Г предложили в 1908 нем. ученые Л. Прандтль и Т. Майер, исследовавшие частный случай течения газа с непрерывным увеличением скорости. В 1922 в работе "Опыт гидромеханики сжимаемой жидкости" советский ученый А. А. Фридман заложил основы динамической метеорологии. В 1929 нем. учеными Л. Прандтлем и А. Буземаном был разработан эффективный численно-графический метод решения широкого класса газодинамических задач, распространенный в 1934 сов. ученым Ф. И. Франклем на более сложные случаи течения газа. Эти методы широко применяются при решении задач Г с помощью ЭВМ. В 1921 в СССР была создана, а в 1927 оформилась как научное учреждение газодинамическая лаборатория, деятельность которой совместно с Группой изучения реактивного движения (1932) заложила основы сов. ракетной техники.

Как самостоятельный раздел гидроаэромеханики Г существует с 1930, когда рост скоростей в авиации потребовал серьезного исследования влияния сжимаемости при изучении движения воздуха. В 1935 в Риме состоялся 1-й международный конгресс по Г Интенсивное развитие Г началось во время и особенно после окончания 2-й мировой войны 1939-45 в связи с широким использованием Г в технике: применение реактивной авиации, ракетного оружия, ракетных и воздушно-реактивных двигателей; полеты самолетов и снарядов со сверхзвуковыми скоростями; создание бомб, взрыв которых влечет за собой распространение сильных взрывных и ударных волн. В этот период Г выдающуюся роль сыграли исследования советских ученых С. А. Христиановича, А. А. Дородницына, Л. И. Седова, Г. И. Петрова, Г. Г. Черного и др., немецких ученых Прандтля, Буземана, английских ученых Дж. Тейлора, Дж. Лайтхилла, американских ученых Т. Кармана, А. Ферри, У. Хейса, китайского ученого Цянь Сюэ-сэня, а также ученых др. стран.

Задачи Г 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 Г определяются давление, температура и др. параметры газа во всей области распространения. Изучение поставленных техникой сложных задач превратило современную Г в науку о движении произвольных смесей газов, которые могут содержать также твердые и жидкие частицы (например, выхлопные газы ракетных двигателей на жидком или твердом топливе), причем параметры, характеризующие состояние этих газов (давление, температура, плотность, электропроводность и др.), могут изменяться в широких пределах.

Для развития совресенной Г характерно неразрывное сочетание теоретических методов, использования ЭВМ и постановки сложных аэродинамических и физических экспериментов. Теоретические представления, частично опирающиеся на экспериментальные данные, позволяют описать с помощью уравнений движение газовых смесей сложного состава, в том числе многофазных смесей при наличии физико- превращений. Методами прикладной математики разрабатываются эффективные способы решения этих уравнений на ЭВМ. Наконец, из экспериментальных данных определяются необходимые значения физических и характеристик, свойственных изучаемой среде и рассматриваемым процессам (коэффициент вязкости и теплопроводности, скорости реакций, времена релаксации и др.).

Многие задачи, поставленные современной техникой перед Г, пока не могут быть решены расчетно-теоретическими методами, в этих случаях широко пользуются газодинамическими экспериментами, поставленными на основе подобия теории и законов гидродинамического и аэродинамического моделирования. Газодинамические эксперименты в аэрогазодинамических лабораториях проводятся в сверхзвуковых и гиперзвуковых аэродинамических трубах, на баллистических установках, в ударных и импульсных трубах и на др. газодинамических установках специального назначения (см. также Аэродинамические измерения).

Законами Г широко пользуются во внешней и внутренней баллистике, при изучении таких явлений, как взрыв, горение, детонация, конденсация в движущемся потоке. Прикладная Г, в которой обычно применяются упрощенные теоретические представления об осредненных по поперечному сечению параметрах газового потока и основные закономерности движения, найденные экспериментальным путем, используется при расчете компрессоров и турбин, сопел и диффузоров, ракетных двигателей, аэродинамических труб, эжекторов, газопроводов и многих др. технических устройств.

Газодинамические исследования ведутся в тех же научных учреждениях, что и исследования по аэродинамике, а результаты их публикуются в тех же научных журналах и сборниках.

Лит.: Основы газовой динамики, под ред. Г. Эммонса, пер. с англ., М., 1963; Карман Т., Сверхзвуковая аэродинамика. Принципы и приложения, пер. с англ., М., 1948; Абрамович Г. Н., Прикладная газовая динамика, 3 изд., М., 1969; Черный Г. Г., Течения газа с большой сверхзвуковой скоростью, М., 1959; Станюкович К. П., Неустановившиеся движения сплошной среды, М., 1955; Зельдович Я. Б., Райзер Ю. П., физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений, М., 1963.

С. Л. Вишневецкий.

	Copyright © 1999-2023 Oval.ru, All Rights Reserved.