傳熱學：氣體動力學

傳熱學：氣體動力學是在連續介質假設的前提下研究伴有熱效應的氣體介質運動規律的學科。

基本介紹

• 中文名：氣體動力學
• 外文名：Gas dynamics
• 所屬學科：：物理學

氣體動力學

學科簡介

它是在經典流體力學的基礎上﹐結合熱力學和化學發展起來的。通常所說的氣體動力學假定氣體是無黏性﹑不傳熱的。在氣體動力學中﹐根據運動速度將流動分為亞聲速流動﹑跨聲速流動﹑超聲速流動和高超聲速流動﹔根據流動在空間中的變化特點分為一維流動﹑二維流動和三維流動﹔根據空間中每一點處的流動是否隨時間而改變分為定常流動和非定常流動。按照所處理問題的流場是否為無限大可分為外流問題和內流問題。高速飛行器(如飛機﹑飛彈﹑太空飛行器等)的繞流屬於外流問題﹔噴氣發動機﹑風洞﹑燃氣輪機等設備中的流動則屬於內流問題。在流動過程中可以有化學變化﹐也可以沒有化學變化。氣流在空間中可以連續變化﹐也可以發生突躍變化。激波﹑爆轟﹑爆燃現象等就屬於突躍變化。

發展簡史

氣體動力學的早期研究始於19世紀80年代。英國的蘭金﹐W.J.M.和法國的P.H.許貢紐對大波幅的強擾動波(如激波)作了理論研究﹐得出這種強波前後的壓強比和密度比以及其他參量比的關係式。這些關係式稱為蘭金－許貢紐關係式(見激波關係式)。1887年奧地利物理學家馬赫﹐E.通過實驗發現﹐超聲速流動的特徵並不取決於流速的絕對值﹐而是取決於流速對當地聲速的比值。這個比值後稱為馬赫數。瑞典工程師C.G.P.de拉瓦爾在研製蒸汽渦輪機中發現﹐要想在噴管中獲得超聲速氣流﹐按低速流的規律將管道截面作單調的收縮是辦不到的。後來他把噴管做成先收縮後擴張﹑中間細的形狀﹐終於得到了超聲速氣流(見拉瓦爾管)。1902年俄國學者恰普雷金﹐..用速度圖法研究了氣體射流。由於當時生產上對高速流動或有熱交換流動研究的需要還不迫切﹐氣體動力學只處於萌芽階段。在第二次世界大戰中﹐飛機發動機功率越來越大﹐飛機的外形越來越符合高速的要求﹐活塞發動機飛機的飛行速度已達到聲速的0.5～0.6倍。到第二次世界大戰末期﹐噴氣發動機問世﹐飛機發展的形勢要求研究高亞聲速和超聲速流動問題﹐也要求研究噴氣發動機內部的流動和燃燒問題﹐氣體動力學便應運而蓬勃發展起來了。

學科內容

從理論上研究氣體動力學問題﹐必須首先根據自然界的基本規律(如質量守恆﹑動量守恆和能量守恆規律)建立流動過程中氣體流速﹑壓強﹑密度﹑溫度等物理量所應滿足的基本關係式﹐這些關係式就是氣體動力學基本方程(見流體力學基本方程組)。基本方程可以是微分形式﹐也可以是積分形式。在一般情況下﹐方程複雜﹐求解也很困難。因此﹐在理論研究中﹐往往須根據具體的流動現象﹐對方程進行簡化﹐從而形成各種不同的理論﹐如小擾動理論﹑細長體理論﹑邊界層理論等。氣體動力學利用所建立的基本方程研究一維或多維的連續流動﹑各種有突躍變化的流動以及有化學反應的流動等。

學科定義

傳熱學：氣體動力學是在連續介質假設的前提下研究伴有熱效應的氣體介質運動規律的學科。