Введение
Кинетика газов – это наука в области динамики жидкости, изучающая движение газов и его влияние на физические системы. Основываясь на принципах механики жидкости и термодинамики, газовая динамика берет начало в исследованиях газовых потоков при трансзвуковых и сверхзвуковых скоростях. В отличие от других областей динамики жидкости, исследования в газовой динамике обычно определяются как изучение потоков газа вокруг или внутри физических объектов на скоростях, сопоставимых или превышающих скорость звука, вызывающих существенные изменения температуры и давления. Примеры таких исследований включают, но не ограничиваются ими: критические режимы течения в соплах и клапанах, ударные волны вокруг струй, аэродинамический нагрев при возвращении в атмосферу и потоки газового топлива в газотурбинных двигателях. На молекулярном уровне газовая динамика представляет собой изучение кинетической теории газов, часто приводящее к исследованию диффузии газов, статистической механики, химической термодинамики и неравновесной термодинамики. Газовая динамика является синонимом аэродинамики, когда в качестве газовой среды выступает воздух, а объектом изучения является полет. Она имеет важное значение при проектировании летательных и космических аппаратов, а также их двигательных установок.
Gas kinetics is a science in the branch of fluid dynamics, concerned with the study of motion of gases and its effects on physical systems. Based on the principles of fluid mechanics and thermodynamics, gas dynamics arises from the studies of gas flows in transonic and supersonic flights. To distinguish itself from other sciences in fluid dynamics, the studies in gas dynamics are often defined with gases flowing around or within physical objects at speeds comparable to or exceeding the speed of sound and causing a significant change in temperature and pressure. Some examples of these studies include but are not limited to: choked flows in nozzles and valves, shock waves around jets, aerodynamic heating on atmospheric reentry vehicles and flows of gas fuel within a jet engine. At the molecular level, gas dynamics is a study of the kinetic theory of gases, often leading to the study of gas diffusion, statistical mechanics, chemical thermodynamics and non equilibrium thermodynamics. Gas dynamics is synonymous with aerodynamics when the gas field is air and the subject of study is flight. It is highly relevant in the design of aircraft and spacecraft and their respective propulsion systems.
История
Прогресс в газовой динамике неразрывно связан с развитием трансонических и сверхзвуковых полетов. С увеличением скорости самолетов плотность воздуха начала изменяться, что значительно увеличивало сопротивление воздуха по мере приближения скорости к скорости звука. Это явление позднее было установлено в экспериментах в аэродинамической трубе как эффект, вызванный образованием ударных волн вокруг самолета. Значительные успехи в описании этого поведения были достигнуты во время и после Второй мировой войны, а новые представления о сжимаемых и высокоскоростных потоках легли в основу теории газовой динамики. По мере широкого признания представления о газах как о совокупности малых частиц, находящихся в броуновском движении, и накопления многочисленных количественных исследований, подтверждающих, что макроскопические свойства газов, такие как температура, давление и плотность, являются результатом столкновений движущихся частиц, изучение кинетической теории газов становилось все более интегрированной частью газовой динамики. Современные учебники и курсы по газовой динамике часто начинаются с введения в кинетическую теорию. Развитие молекулярного моделирования в компьютерном моделировании еще больше повысило актуальность кинетической теории в современных исследованиях в области газовой динамики.
Определение жидкости
Жидкости — это вещества, которые не претерпевают необратимых изменений под воздействием значительных напряжений. Твердое тело, как правило, деформируется, чтобы сохранить равновесие при больших нагрузках. Жидкости определяются как жидкости и газы, поскольку молекулы внутри жидкости обладают значительно меньшей связью, чем молекулы в твердом теле. При рассмотрении плотности жидкости, изменение ее плотности при увеличении давления относительно невелико. Если же речь идет о газе, плотность существенно изменяется в зависимости от величины приложенного давления, согласно уравнению состояния газа (p=ρRT). В гидродинамике незначительное изменение плотности при течении жидкости называется несжимаемым течением. В газовой динамике резкое изменение плотности, вызванное увеличением давления, называется сжимаемым течением.
Реальные газы
Реальные газы характеризуются своей сжимаемостью (z) в уравнении PV = zn0RT. Когда давление P задается как функция объема V при определенных температурах T, зависимость между P и V начинает приобретать гиперболический характер, который наблюдается у идеальных газов при очень высоких температурах. Критическая точка достигается, когда наклон графика равен нулю, что приводит к изменению состояния вещества между жидкостью и паром. К свойствам идеальных газов относятся вязкость, теплопроводность и диффузия.
Стационарные нормальные ударные волны
Стационарная нормальная ударная волна классифицируется как распространяющаяся перпендикулярно направлению потока. Например, когда поршень движется с постоянной скоростью внутри трубы, возникают звуковые волны, распространяющиеся по трубе. По мере продолжения движения поршня волна начинает сходиться и сжимать газ внутри трубы. Различные расчеты, связанные с нормальными ударными волнами, могут изменяться в зависимости от размеров трубы, в которой они находятся. Несовершенства, такие как сужающиеся и расширяющиеся сопла, а также трубы с изменяющимся сечением, могут влиять на расчеты объема, давления и числа Маха.
Движущиеся обычные ударные волны
В отличие от стационарных нормальных ударных волн, движущиеся нормальные ударные волны чаще встречаются в реальных физических ситуациях. Например, тупой объект, входящий в атмосферу, испытывает воздействие ударной волны, распространяющейся в неподвижном газе. Основная задача, возникающая при рассмотрении движущихся нормальных ударных волн, – это определение картины прохождения нормальной ударной волны через неподвижный газ. Восприятие движущейся ударной волны зависит от того, рассматривается она как движущаяся или неподвижная. Например, если объект входит в атмосферу, двигаясь навстречу ударной волне, то ударная волна будет движущейся, но если объект движется в космосе, "оседлав" ударную волну, то она будет казаться стационарной. Связи и соотношения, а также скорости и отношения параметров движущихся и стационарных ударных волн могут быть вычислены с помощью развернутых формул.
Трещины и сжимаемый поток
Силы трения играют роль в определении характеристик течения сжимаемой жидкости в каналах. При расчетах трение рассматривается либо как учитываемое, либо как пренебрегаемое. Если трение учитывается, анализ сжимаемого течения становится сложнее, чем при его пренебрежении. Если трение исключено из анализа, вводятся определенные ограничения. Учет трения в сжимаемом течении ограничивает область применимости результатов анализа. Как упоминалось ранее, форма канала, например, изменение его размеров или наличие сужений, влияет на расчеты, связанные с трением и сжимаемым течением.