Кіріспе

Газдар қозғалысын зерттеу. Газ кинетикасы – газдардың қозғалысын және оның физикалық жүйелерге тигізетін әсерін зерттейтін сұйықтық динамикасының бір саласы. Сұйықтық механикасы мен термодинамика принциптеріне негізделген газ динамикасы, транссондық және үстіндік жылдамдықтардағы ұшулардағы газ ағындарын зерттеуден туындайды. Сұйықтық динамикасының басқа ғылымдарынан ерекшелену үшін, газ динамикасындағы зерттеулер көбінесе физикалық объектілердің айналасында немесе ішінде дыбыс жылдамдығымен салыстырылатын немесе одан асып түсетін жылдамдықпен ағатын және температура мен қысымда маңызды өзгерістерге алып келетін газдармен анықталады. Мұндай зерттеулердің мысалдары: соқпақтар мен клапандардағы тұншықты ағындар, реактивтік ұшақтардың айналасындағы соққы толқындары, атмосфераға қайта кіретін аппараттардың аэродинамикалық қызуы және реактивтік қозғалтқыш ішіндегі газ отынының ағыны. Молекулалық деңгейде газ динамикасы газдардың кинетикалық теориясын зерттейді, бұл көбінесе газ диффузиясын, статистикалық механиканы, химиялық термодинамиканы және тепе-теңдіксіз термодинамиканы зерттеуге алып келеді. Газ өрісі ауа болғанда және зерттеу нысаны ұшу болғанда газ динамикасы аэродинамикамен синонимді. Ол ұшақтар мен ғарыш кемелерін және олардың тиісті қозғалтқыш жүйелерін жобалауда маңызды рөл атқарады.

Тарих

Газ динамикасының жетістіктері, транссондық және үстінкү дыбыстық ұшулардың дамуымен бірге жүреді. Ұшақтардың жылдамдығы артқан сайын, ауа тығыздығы өзгере бастады, бұл ауа кедергісін айтарлықтай арттырды, өйткені ауа жылдамдығы дыбыс жылдамдығына жақындады. Бұл құбылыс кейіннен жел тоннеліндегі тәжірибелерде ұшақтың айналасындағы соққы толқындарының пайда болуынан туындаған әсер ретінде анықталды. Екінші дүниежүзілік соғыс кезеңінде және одан кейін осы құбылысты сипаттау үшін маңызды жетістіктерге қол жеткізілді, ал сығылғыш және жоғары жылдамдықты ағындар туралы жаңа түсініктер газ динамикасының теорияларына айналды. Газдардың Браун қозғалысындағы ұсақ бөлшектер екені туралы түсінік кеңінен қабылданып, температура, қысым және тығыздық сияқты газдардың макроскопиялық қасиеттері қозғалатын бөлшектердің соқтығысуының нәтижесі екенін растайтын көптеген сандық зерттеулер жүргізілді. Осының нәтижесінде газдардың кинетикалық теориясын зерттеу газ динамикасының маңызды бөлігіне айналды. Қазіргі заманғы газ динамикасы бойынша оқулықтар мен курстар көбінесе кинетикалық теорияға кіріспемен басталады. Компьютерлік модельдеудегі молекулалық модельдеудің пайда болуы кинетикалық теорияны газ динамикасы саласындағы бүгінгі зерттеулерде өте маңызды тақырыпқа айналдырды.

Сұйықтың анықтамасы

Сұйықтықтар – бұл зор күштер әсерінен тұрақты өзгермейтін заттар. Қатты дене зор күштер әсерінен тепе-теңдікті сақтау үшін деформацияланады. Сұйықтықтар сұйықтықтар мен газдар деп анықталады, себебі сұйықтықтың ішіндегі молекулалар қатты дененің молекулаларына қарағанда әлсіз болады. Сұйықтың тығыздығын қарастырғанда, қысымның артуына байланысты тығыздықтағы өзгеріс аз болады. Егер сұйықтық газ ретінде қарастырылса, онда тығыздығы газдардың күй теңдеуіне (p=ρRT) сәйкес қолданылатын қысым мөлшеріне байланысты күрт өзгереді. Сұйықтықтардың ағысын зерттеуде тығыздықтағы шағын өзгерісті білдіретін термин – сығылмайтын ағын. Газдардың ағысын зерттеуде қысымның артуына байланысты болатын күрт өсім – сығылатын ағын деп аталады.

Нақты газдар

Нақты газдар PV = zn0RT теңдеуіндегі сығылу қабілетімен (z) сипатталады. Қысым P көлем V функциясы ретінде белгіленгенде, температура T, P және V шамаларымен анықталатын қатар пайда болады. Бұл жағдайда, газдың қасиеттері гиперболалық тәуелділіктерді көрсетеді, бұл идеал газдың жоғары температурадағы мінез-құлқына ұқсас. График еңісі нөлге теңелгенде және сұйықтық күйі сұйықтан буға немесе керісінше өзгеретіндей сыни нүктеге жетеді. Идеал газдың қасиеттеріне тұтқырлық, жылу өткізгіштігі және диффузия жатады.

Тұрақты қалыпты соққы толқындары

Тұрақты қалыпты соққы толқыны ағын бағытының перпендикуляр бағытында таралатын толқын ретінде жіктеледі. Мысалы, егер поршень бір түтік ішінде тұрақты жылдамдықпен қозғалса, түтік бойымен дыбыс толқындары пайда болады. Поршень қозғала берген сайын, толқын жиналып, түтік ішіндегі газды қысымға түсіреді. Қалыпты соққы толқындарына байланысты есептеулер түтіктердің мөлшеріне қарай өзгеріп отыруы мүмкін. Конвергентті-дивергентті сораптар мен ауданы өзгеріп отыратын түтіктер сияқты аномалиялар көлем, қысым және Мах саны есептеулеріне әсер ете алады.

Қалыпты толқын толқындары

Тұрақты қалыпты соққы толқындарынан өзгеше, қозғалмалы қалыпты соққы толқындары физикалық жағдайларда жиірек кездеседі. Мысалы, атмосфераға кіретін дөңгелек пішіндес дене, қозғалмайтын газ ортасынан өтетін соққы толқынына тап болады. Қозғалмалы қалыпты соққы толқындарының негізгі мәселесі – қозғалмайтын газ арқылы қалыпты соққы толқынының өтуі. Қозғалмалы соққы толқынының қарастырылуы, оны қозғалмалы немесе тұрақты соққы толқыны ретінде сипаттауға мүмкіндік береді. Атмосфераға кіретін дененің мысалы, соққы толқынына қарама-қарсы бағытта қозғалатын денені көрсетеді, нәтижесінде қозғалмалы соққы толқыны пайда болады, бірақ егер денені соққы толқынымен бірге ғарышқа ұшырса, ол тұрақты соққы толқыны сияқты көрінеді. Қозғалмалы және тұрақты соққы толқындарының жылдамдығы мен соққы қатынастарын есептеу үшін кеңейтілген формулалар қолданылады.

Сырқалу және сығымдалатын ағын

Фрикциялық күштер құбырлардағы сығымды ағымның ағымдық қасиеттерін анықтауда маңызды рөл атқарады. Есептеулерде үйкеліс күші ескеріледі немесе ескерілмейді. Егер үйкеліс күші ескерілсе, сығымды ағынды талдау үйкеліс күші ескерілмеген жағдайдағыдан күрделірек болады. Егер үйкеліс күші талдау үшін ғана ескерілсе, белгілі бір шектеулер қойылады. Сығымды ағымға үйкеліс күші енгізілген кезде, ол талдау нәтижелерін қолдануға болатын аймақтарды шектейді. Бұрын айтылғандай, құбырдың пішіні, мысалы, өзгермелі өлшемдері немесе саптамалар, үйкеліс күші мен сығымды ағым арасындағы түрлі есептеулерге әсер етеді.