Кинетика газа - Gas kinetics

Кинетика газа - это наука в области гидродинамики , занимающаяся изучением движения газов и его воздействия на физические системы . Основанная на принципах механики жидкости и термодинамики , газовая динамика возникает в результате изучения потоков газа при трансзвуковых и сверхзвуковых полетах . Чтобы отличаться от других наук в области гидродинамики, исследования газовой динамики часто определяют с помощью газов, текущих вокруг или внутри физических объектов со скоростью, сравнимой со скоростью звука или превышающей ее, и вызывающих значительные изменения температуры и давления . Некоторые примеры этих исследований включают , но не ограничиваются ими: критический поток в соплах и клапанов , ударных волн вокруг струй , аэродинамического нагрева на атмосферных спускаемых аппаратов и потоки газового топлива в реактивном двигателе . На молекулярном уровне газовая динамика - это исследование кинетической теории газов , часто ведущее к изучению газовой диффузии , статистической механики , химической термодинамики и неравновесной термодинамики . Газовая динамика является синонимом аэродинамики, когда газовое месторождение - воздух, а предмет исследования - полет . Это очень важно при проектировании самолетов и космических кораблей и их соответствующих двигательных систем .

История

Прогресс в газовой динамике совпадает с развитием околозвуковых и сверхзвуковых полетов. Когда самолет начал двигаться быстрее, плотность воздуха начала меняться, что значительно увеличивало сопротивление воздуха, когда скорость воздуха приближалась к скорости звука . Позже это явление было 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 новые представления о сжимаемых и высокоскоростных потоках стали теориями газовой динамики.

Поскольку концепция, согласно которой газы являются маленькими частицами в броуновском движении, получила широкое признание, и многочисленные количественные исследования, подтверждающие, что макроскопические свойства газов, такие как температура, давление и плотность , являются результатами столкновений движущихся частиц, изучение кинетической теории газов становится все более неотъемлемой частью газовой динамики. Современные книги и занятия по газовой динамике часто начинаются с введения в кинетическую теорию. Появление молекулярного моделирования в компьютерном моделировании сделало кинетическую теорию очень актуальной темой в современных исследованиях газовой динамики.

Вводная терминология

Газовая динамика - это обзор среднего значения расстояния между двумя молекулами газа, которые столкнулись, без игнорирования структуры, в которой содержатся молекулы. Эта область требует большого количества знаний и практического использования идей кинетической теории газов, и она связывает кинетическую теорию газов с физикой твердого тела посредством изучения того, как газ взаимодействует с поверхностями.

Определение жидкости

Жидкости - это вещества, которые не изменяются навсегда под действием огромного стресса. Твердое тело имеет тенденцию деформироваться, чтобы оставаться в равновесии при большом напряжении. Жидкости определяются как жидкости и газы, потому что молекулы внутри жидкости намного слабее, чем молекулы, содержащиеся 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 давления, приложенного из-за уравнения состояния для газов (p = ρRT). При изучении течения жидкостей термин, используемый для обозначения небольшого изменения плотности, называется потоком несжимаемой жидкости. При изучении течения газов быстрое увеличение из-за увеличения давления называется сжимаемым потоком.

Настоящие газы

Критическая точка.

Реальные газы характеризуются их сжимаемостью (z) в уравнении PV  =  zn 0 RT . Когда давление P устанавливается как функция объема V, где ряд определяется заданными температурами T , P и V начинают принимать гиперболические отношения, которые демонстрируют идеальные газы, когда температуры начинают становиться очень высокими. Критическая точка достигается, когда наклон графика равен нулю и приводит к изменению состояния жидкости между жидкостью и паром. Свойства идеальных газов включают вязкость, теплопроводность и диффузию.

Вязкость

Вязкость газов - это результат переноса каждой молекулы газа, когда они переходят друг от друга из слоя в слой. Поскольку газы стремятся обгонять друг друга, скорость в форме количества движения более быстро движущейся молекулы ускоряет молекулу, движущуюся медленнее. Когда более медленно движущаяся молекула проходит более быстро движущуюся молекулу, импульс более медленно движущейся частицы замедляет более быструю движущуюся частицу. Молекулы продолжают действовать до тех пор, пока сопротивление трения не заставит обе молекулы уравнять свои скорости.

Теплопроводность

Теплопроводность газа можно определить путем анализа вязкости газа, за исключением того, что молекулы неподвижны, в то время как изменяются только температуры газов. Теплопроводность определяется как количество тепла, переносимого через определенную площадь за определенное время. Теплопроводность всегда течет противоположно направлению температурного градиента.

Диффузия

Распространение газов сконфигурировано с равномерной концентрацией газов и при этом газы остаются неподвижными. Диффузия - это изменение концентрации между двумя газами из-за более слабого градиента концентрации между двумя газами. Распространение - это перенос массы в течение определенного периода времени.

Ударные волны

Ударную волну можно описать как фронт сжатия в сверхзвуковом поле потока, и процесс обтекания фронта приводит к резкому изменению свойств жидкости. Толщина ударной волны сравнима с длиной свободного пробега молекул газа в поле течения. 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 представляет собой фронт сжатия, нормальный к направлению потока. Однако в самых разных физических ситуациях возникает волна сжатия, наклоненная под углом к ​​потоку. Такая волна называется косой ударной волной. Действительно, все естественные шоки во внешних потоках носят наклонный характер.

Стационарные нормальные ударные волны

Стационарная нормальная ударная волна классифицируется как движущаяся в нормальном направлении потока. Например, когда поршень движется с постоянной скоростью внутри трубки, генерируются звуковые волны, которые распространяются по трубке. По мере того как поршень продолжает двигаться, волна начинает собираться вместе и сжимает газ внутри трубки. Различные расчеты, сопровождающие нормальные ударные волны, могут варьироваться в зависимости от размера трубок, в которых они содержатся. Аномалии, такие как сходящиеся-расходящиеся сопла и трубы с изменяющейся площадью, могут повлиять на такие вычисления, как объем, давление и число Маха.

Движущиеся нормальные ударные волны

В отличие от стационарных нормальных ударных волн, движущиеся нормальные ударные волны более доступны в физических ситуациях. Например, тупой объект, попадающий в атмосферу, сталкивается с ударной волной, проходящей через среду неподвижного газа. Основная проблема, возникающая из-за движущихся нормальных ударных волн, - это момент, когда нормальная ударная волна проходит через неподвижный газ. Точка зрения движущихся ударных волн характеризует их как движущуюся или неподвижную ударную волну. Пример объекта, входящего в атмосферу, изображает объект, движущийся в противоположном направлении от ударной волны, что приводит к движущейся ударной волне, но если объект запускается в космос, двигаясь на вершине ударной волны, это будет казаться стационарной ударной волной. . Взаимосвязи и сравнения, а также скорости и отношения ударов движущихся и неподвижных ударных волн могут быть рассчитаны с помощью обширных формул.

Трение и сжимаемый поток

Силы трения играют роль в определении характеристик потока сжимаемого потока в каналах. В расчетах трение принимается как включающее, так и исключающее. Если трение включено, то анализ сжимаемого потока становится более сложным, как если бы трение не включало. Если трение является исключительным для анализа, тогда будут введены определенные ограничения. Когда трение включается в сжимаемый поток, трение ограничивает области, в которых могут применяться результаты анализа. Как упоминалось ранее, форма канала, такая как различные размеры или сопла, влияет на различные расчеты между трением и сжимаемым потоком.

Смотрите также

Важные понятия

Потоки интереса

Экспериментальные методики

Методы визуализации

Вычислительные методы

Аэродинамика

Рекомендации

Конкретный
Общий

Внешние ссылки