Газовая кинетика
Газовая кинетика — наука в области гидродинамики , занимающаяся изучением движения газов и его воздействия на физические системы . Газодинамика, основанная на принципах механики жидкости и термодинамики , возникает в результате изучения течений газа в трансзвуковых и сверхзвуковых полетах . Чтобы отличиться от других наук в области гидродинамики, исследования в области газовой динамики часто определяются газами, текущими вокруг или внутри физических объектов со скоростями, сравнимыми или превышающими скорость звука , и вызывающими значительные изменения температуры и давления . [1] Некоторые примеры этих исследований включают, помимо прочего: дроссельные потоки в соплах и клапанах , ударные волны вокруг струй , аэродинамический нагрев на спускаемых кораблях с атмосферой и потоки газового топлива в реактивном двигателе . На молекулярном уровне газовая динамика представляет собой исследование кинетической теории газов , часто приводящее к изучению газовой диффузии , статистической механики , химической термодинамики и неравновесной термодинамики . [2] Газодинамика является синонимом аэродинамики , когда газовым месторождением является воздух , а предметом изучения — полет . Это весьма актуально при проектировании самолетов и космических аппаратов и соответствующих двигательных систем .
История
[ редактировать ]Прогресс в газовой динамике совпадает с развитием околозвуковых и сверхзвуковых полетов. Когда самолет начал двигаться быстрее, плотность воздуха начала меняться, что значительно увеличило сопротивление воздуха по мере того, как скорость воздуха приближалась к скорости звука . Позже это явление было идентифицировано в экспериментах в аэродинамической трубе как эффект , вызванный образованием ударных волн вокруг самолета. Значительные успехи были достигнуты в описании поведения во время и после Второй мировой войны , а новые представления о сжимаемых и высокоскоростных потоках стали теориями газовой динамики.
Поскольку концепция, согласно которой газы являются маленькими частицами в броуновском движении, получила широкое распространение, а многочисленные количественные исследования подтвердили, что макроскопические свойства газов, такие как температура, давление и плотность , являются результатом столкновений движущихся частиц, [3] изучение кинетической теории газов все больше становилось неотъемлемой частью газовой динамики. Современные книги и занятия по газовой динамике часто начинаются с введения в кинетическую теорию. [2] [4] Появление молекулярного моделирования в компьютерном моделировании сделало кинетическую теорию очень актуальной темой в современных исследованиях газовой динамики. [5] [6]
Вводная терминология
[ редактировать ]Газодинамика — это обзор среднего значения расстояния между двумя молекулами газа, которые столкнулись, без игнорирования структуры, в которой содержатся молекулы. Эта область требует большого объема знаний и практического использования идей кинетической теории газов и связывает кинетическую теорию газов с физикой твердого тела посредством изучения того, как газ реагирует с поверхностями. [7]
Определение жидкости
[ редактировать ]Жидкости — это вещества, которые не изменяются навсегда под воздействием огромного стресса. Твердое тело имеет тенденцию деформироваться, чтобы оставаться в равновесии при больших нагрузках. Жидкости определяют как жидкости, так и газы, поскольку молекулы внутри жидкости намного слабее молекул, содержащихся в твердом теле. Говоря о плотности жидкости в терминах жидкости, плотность жидкости меняется на небольшой процент по мере увеличения давления. Если жидкость называть газом, плотность будет сильно меняться в зависимости от величины приложенного давления в соответствии с уравнением состояния газов (p = ρRT). При изучении течения жидкостей термин, используемый для обозначения небольшого изменения плотности, называется несжимаемым потоком. При изучении течения газов быстрое увеличение вследствие увеличения давления называется сжимаемым течением. [8]
Реальные газы
[ редактировать ]
Реальные газы характеризуются своей сжимаемостью (z) уравнением PV = zn 0 RT . Когда давление P устанавливается как функция объема V , где ряд определяется заданными температурами, T , P и V начинают принимать гиперболические зависимости, которые проявляются в идеальных газах, когда температуры начинают становиться очень высокими. Критическая точка достигается, когда наклон графика равен нулю и приводит к изменению состояния жидкости между жидкостью и паром. К свойствам идеальных газов относятся вязкость, теплопроводность и диффузия. [4]
Вязкость
[ редактировать ]Вязкость газов является результатом переноса каждой молекулы газа при их переходе друг от друга из слоя в слой. Поскольку газы имеют тенденцию проходить друг через 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 сопротивление трения не заставит обе молекулы уравнять свои скорости. [4]
Теплопроводность
[ редактировать ]Теплопроводность газа можно определить путем анализа вязкости газа, за исключением того, что молекулы неподвижны, а меняются только температуры газов. Теплопроводность определяется как количество тепла, передаваемого по определенной площади за определенное время. Теплопроводность всегда течет в противоположном направлении от температурного градиента. [4]
Диффузия
[ редактировать ]Диффузия газов осуществляется при равномерной концентрации газов и при этом 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]
Ударные волны
[ редактировать ]Ударную волну можно описать как фронт сжатия в поле сверхзвукового течения, а процесс течения поперек фронта приводит к резкому изменению свойств жидкости. Толщина ударной волны сравнима с длиной свободного пробега молекул газа в поле течения. [1] Другими словами, ударная волна — это тонкая область, в которой возникают большие градиенты температуры, давления и скорости и где важны явления переноса импульса и энергии. Нормальная ударная волна представляет собой фронт сжатия, перпендикулярный направлению потока. Однако в самых разных физических ситуациях возникает волна сжатия, наклоненная под углом к потоку. Такая волна называется косым скачком скачка. Действительно, все естественные потрясения внешних потоков являются косвенными. [9]
Стационарные нормальные ударные волны
[ редактировать ]Стационарная нормальная ударная волна классифицируется как идущая в нормальном направлении к направлению потока. Например, когда поршень движется с постоянной скоростью внутри трубки, возникают звуковые волны, распространяющиеся по трубке. По мере того, как поршень продолжает двигаться, волна начинает сближаться и сжимать газ внутри трубки. Различные расчеты, связанные с обычными ударными волнами, могут различаться в зависимости от размера трубок, в которых они содержатся. Аномалии, такие как сходящиеся-расходящиеся сопла и трубы с изменяющейся площадью, могут повлиять на такие расчеты, как объем, давление и число Маха. [10]
Движущиеся нормальные ударные волны
[ редактировать ]В отличие от стационарных нормальных ударных волн, движущиеся нормальные ударные волны чаще встречаются в физических ситуациях. Например, тупой предмет, попадающий в атмосферу, сталкивается с ударом, исходящим через среду неподвижного газа. Фундаментальная проблема, возникающая при движении обычных ударных волн, — это момент прохождения нормальной ударной волны через неподвижный газ. Точка зрения движущихся ударных волн характеризует их как движущиеся или неподвижные ударные волны. Пример объекта, входящего в атмосферу, изображает объект, движущийся в направлении, противоположном ударной волне, что приводит к движущейся ударной волне, но если бы объект запускался в космос на вершине ударной волны, это выглядело бы как стационарная ударная волна. . Отношения и сравнения, а также скорости и коэффициенты ударной нагрузки движущихся и стационарных ударных волн можно рассчитать с помощью обширных формул. [11]
Трение и сжимаемый поток
[ редактировать ]Силы трения играют роль в определении свойств сжимаемого потока в воздуховодах. В расчетах трение принимается либо как включающее, либо как исключающее. Если трение включено, то анализ сжимаемого потока становится более сложным, как если бы трение не учитывалось. Если разногласия касаются исключительно анализа, то будут наложены определенные ограничения. Когда в сжимаемом потоке учитывается трение, оно ограничивает области применения результатов анализа. Как упоминалось ранее, форма воздуховода, например, различные размеры или сопла, влияет на различные расчеты между трением и сжимаемым потоком. [12]
См. также
[ редактировать ]Важные понятия | Потоки процентов | Экспериментальные методы |
Методы визуализации | Вычислительные методы | Аэродинамика |
Ссылки
[ редактировать ]- Специфический
- ^ Перейти обратно: а б Ратакришнан, Э. (2006). Газодинамика . Прентис Холл Индии Pvt. ООО ISBN 81-203-0952-9 .
- ^ Перейти обратно: а б Винченти, Уолтер Г.; Крюгер, Чарльз Х. младший (2002) [1965]. Введение в физическую газодинамику . Издательство Кригер . ISBN 0-88275-309-6 .
- ^ Эйнштейн, А. (1905), «О движении частиц, взвешенных в покоящихся жидкостях, требуемых молекулярно-кинетической теорией тепла», Annals of Physics , 17 (8): 549–560, Бибкод : 1905AnP...322. .549E , doi : 10.1002/andp.19053220806
- ^ Перейти обратно: а б с д и Террелл, Джордж (1997). Газодинамика: теория и приложения . Дж. Уайли.
- ^ Олдер, Би Джей; Т. Э. Уэйнрайт (1959). «Исследования по молекулярной динамике. I. Общий метод». Дж. Хим. Физ . 31 (2): 459. Бибкод : 1959ЖЧФ..31..459А . дои : 10.1063/1.1730376 . S2CID 44487491 .
- ^ А. Рахман (1964). «Корреляции в движении атомов в жидком аргоне». Физика преп . 136 (2А): А405-А411. Бибкод : 1964PhRv..136..405R . дои : 10.1103/PhysRev.136.A405 .
- ^ Черчиньяни, Карло . Предисловие. Динамика разреженного газа: от базовых представлений к реальным расчетам. Кембриджский университет, 2000. Xiii. Распечатать.
- ^ Джон, Джеймс Эдвард Альберт и Тео Г. Кейт. Газодинамика. Харлоу: Прентис Холл, 2006. 1-2. Распечатать
- ^ Ратакришнан, Э. (2019). Прикладная газодинамика, 2-е издание . Уайли. ISBN 978-1-119-50039-1 .
- ^ Джон, Джеймс Эдвард Альберт и Тео Г. Кейт. Газодинамика. 3-е изд. Харлоу: Прентис Холл, 2006. 107–149. Распечатать.
- ^ Джон, Джеймс Эдвард Альберт и Тео Г. Кейт. Газодинамика. 3-е изд. Харлоу: Прентис Холл, 2006. 157–184. Распечатать.
- ^ Джон, Джеймс Эдвард Альберт и Тео Г. Кейт. Газодинамика. 3-е изд. Харлоу: Прентис Холл, 2006. 283–336. Распечатать.
- Общий
- Липманн, Ганс В.; Рошко, А. (2001) [1957]. Элементы газодинамики . Дуврские публикации . ISBN 0-486-41963-0 .
- Андерсон, Джон Д. младший (январь 2001 г.) [1984]. Основы аэродинамики (3-е изд.). McGraw-Hill Наука/инженерное дело/математика . ISBN 0-07-237335-0 .
- Шапиро, Ашер Х. (1953). Динамика и термодинамика течения сжимаемой жидкости, Том 1 . Рональд Пресс . ISBN 978-0-471-06691-0 .
- Цукер, Роберт Д.; Библарц О. (июль 2002 г.). Основы газовой динамики . Джон Уайли и сыновья . ISBN 0-471-05967-6 .
- Андерсон, Джон Д. младший (2000) [1989]. Гиперзвуковая и высокотемпературная газодинамика . АИАА . ISBN 1-56347-459-Х .