Газовая кинетика — это наука в области гидродинамики , занимающаяся изучением движения газов и его влияния на физические системы . Основанная на принципах механики жидкости и термодинамики , газовая динамика возникает из исследований газовых потоков в околозвуковых и сверхзвуковых полетах . Чтобы отличить себя от других наук в области гидродинамики, исследования в области газовой динамики часто определяются с газами, текущими вокруг или внутри физических объектов со скоростями, сопоставимыми или превышающими скорость звука , и вызывающими значительное изменение температуры и давления . [1] Некоторые примеры этих исследований включают, но не ограничиваются: запирающиеся потоки в соплах и клапанах , ударные волны вокруг струй , аэродинамический нагрев на атмосферных возвращаемых аппаратах и потоки газового топлива в реактивном двигателе . На молекулярном уровне газовая динамика — это изучение кинетической теории газов , часто приводящее к изучению диффузии газа , статистической механики , химической термодинамики и неравновесной термодинамики . [2] Газовая динамика является синонимом аэродинамики , когда газовым полем является воздух , а предметом изучения является полет . Она весьма актуальна при проектировании самолетов и космических кораблей и их соответствующих двигательных установок .
Прогресс в газовой динамике совпадает с развитием околозвуковых и сверхзвуковых полетов. По мере того, как самолеты начали двигаться быстрее, плотность воздуха начала меняться, значительно увеличивая сопротивление воздуха по мере приближения скорости воздуха к скорости звука . Это явление было позже идентифицировано в экспериментах в аэродинамической трубе как эффект , вызванный образованием ударных волн вокруг самолета. Были достигнуты значительные успехи в описании поведения во время и после Второй мировой войны , и новое понимание сжимаемых и высокоскоростных потоков стало теориями газовой динамики.
Поскольку конструкция, согласно которой газы являются малыми частицами в броуновском движении, стала широко принятой, а многочисленные количественные исследования подтвердили, что макроскопические свойства газов, такие как температура, давление и плотность , являются результатами столкновений движущихся частиц, [3] изучение кинетической теории газов стало все более неотъемлемой частью газовой динамики. Современные книги и занятия по газовой динамике часто начинались с введения в кинетическую теорию. [2] [4] Появление молекулярного моделирования в компьютерном моделировании еще больше сделало кинетическую теорию весьма актуальным предметом в современных исследованиях газовой динамики. [5] [6]
Газовая динамика — это обзор среднего значения расстояния между двумя молекулами газа, которые столкнулись, не игнорируя структуру, в которой содержатся молекулы. Область требует большого объема знаний и практического использования идей кинетической теории газов, и она связывает кинетическую теорию газов с физикой твердого тела посредством изучения того, как газ реагирует с поверхностями. [7]
Жидкости — это вещества, которые не изменяются постоянно под действием огромного напряжения. Твердое тело имеет тенденцию деформироваться, чтобы оставаться в равновесии под действием большого напряжения. Жидкости определяются как жидкости и газы, поскольку молекулы внутри жидкости намного слабее молекул, содержащихся в твердом теле. Когда речь идет о плотности жидкости в терминах жидкости, существует небольшой процент изменения плотности жидкости при увеличении давления. Если жидкость называется газом, плотность будет сильно меняться в зависимости от величины приложенного давления из-за уравнения состояния для газов (p=ρRT). При изучении течения жидкостей термин, используемый при упоминании небольшого изменения плотности, называется несжимаемым потоком. При изучении течения газов быстрое увеличение из-за увеличения давления называется сжимаемым потоком. [8]
Реальные газы характеризуются своей сжимаемостью (z) в уравнении PV = zn 0 RT . Когда давление P задается как функция объема V , где ряд определяется заданными температурами T , P и V начинают принимать гиперболические зависимости, которые демонстрируют идеальные газы, когда температуры начинают становиться очень высокими. Критическая точка достигается, когда наклон графика равен нулю и заставляет состояние жидкости изменяться между жидкостью и паром. Свойства идеальных газов включают вязкость, теплопроводность и диффузию. [4]
Вязкость газов является результатом переноса каждой молекулы газа, когда они проходят друг мимо друга из слоя в слой. Поскольку газы стремятся пройти друг мимо друга, скорость, в форме импульса, более быстро движущейся молекулы ускоряет более медленно движущуюся молекулу. Когда более медленно движущаяся молекула проходит мимо более быстро движущейся молекулы, импульс более медленно движущейся частицы замедляет более быстро движущуюся частицу. Молекулы продолжают действовать до тех пор, пока фрикционное сопротивление не заставит обе молекулы уравнять свои скорости. [4]
Теплопроводность газа можно определить путем анализа вязкости газа, за исключением того, что молекулы неподвижны, а меняется только температура газов. Теплопроводность определяется как количество тепла, переносимого через определенную область за определенное время. Теплопроводность всегда течет в направлении, противоположном направлению градиента температуры. [4]
Диффузия газов настраивается при равномерной концентрации газов и пока газы неподвижны. Диффузия — это изменение концентрации между двумя газами из-за более слабого градиента концентрации между двумя газами. Диффузия — это перенос массы в течение определенного периода времени. [4]
Ударную волну можно описать как фронт сжатия в поле сверхзвукового потока, а процесс течения через фронт приводит к резкому изменению свойств жидкости. Толщина ударной волны сопоставима со средней длиной свободного пробега молекул газа в поле потока. [1] Другими словами, ударная волна — это тонкая область, где возникают большие градиенты температуры, давления и скорости, и где важны явления переноса импульса и энергии. Нормальная ударная волна — это фронт сжатия, нормальный к направлению потока. Однако в самых разных физических ситуациях возникает волна сжатия, наклоненная под углом к потоку. Такая волна называется косым скачком уплотнения. Действительно, все естественные скачки уплотнения во внешних потоках являются косыми. [9]
Стационарная нормальная ударная волна классифицируется как идущая в нормальном направлении к направлению потока. Например, когда поршень движется с постоянной скоростью внутри трубы, производятся звуковые волны, которые движутся вниз по трубе. По мере того, как поршень продолжает двигаться, волна начинает собираться вместе и сжимать газ внутри трубы. Различные расчеты, которые идут вместе с нормальными ударными волнами, могут различаться из-за размера труб, в которых они содержатся. Аномалии, такие как сходящиеся-расходящиеся сопла и трубы с изменяющимися площадями, могут влиять на такие расчеты, как объем, давление и число Маха. [10]
В отличие от стационарных нормальных ударных волн, движущиеся нормальные ударные волны более распространены в физических ситуациях. Например, тупой объект, входящий в атмосферу, сталкивается с ударом, который проходит через среду неподвижного газа. Основная проблема, которая возникает при движении нормальных ударных волн, — это момент нормальной ударной волны через неподвижный газ. Точка зрения движущихся ударных волн характеризует ее как движущуюся или неподвижную ударную волну. Пример объекта, входящего в атмосферу, изображает объект, движущийся в противоположном направлении ударной волны, что приводит к движущейся ударной волне, но если бы объект запускался в космос, ехав на вершине ударной волны, он казался бы стационарной ударной волной. Отношения и сравнения вместе со скоростными и ударными отношениями движущихся и стационарных ударных волн можно рассчитать с помощью обширных формул. [11]
Силы трения играют роль в определении свойств потока сжимаемого потока в воздуховодах. В расчетах трение принимается либо как включающее, либо как исключающее. Если трение является включающим, то анализ сжимаемого потока становится более сложным, как если бы трение не было включающим. Если трение является исключительным для анализа, то будут введены определенные ограничения. Когда трение включено в сжимаемый поток, трение ограничивает области, в которых могут применяться результаты анализа. Как упоминалось ранее, форма воздуховода, например, различные размеры или сопла, влияют на различные расчеты между трением и сжимаемым потоком. [12]