Свойства газовой среды

Основы аэродинамики. Основные сведения о газах.

Аэродинамика — наука, изучающая законы движения

газов (воздуха), законы взаимодействия между воздушной средой

и движущимся в этой среде твердым телом. Определение сил и 

моментов, действующих на твердое тело при его движении в 

воздушной среде, — одна из основных задач аэродинамики.

Предположение, что скорости движения воздушных потоков, а следовательно, и разности давления (плотности) в различных точках потоков сравнительно невелики, позволяло считать в классической аэродинамике плотность воздуха постоянной величиной и применять к исследованию его движения обычные методы гидромеханики, не учитывая эффекта сжимаемости воздуха. 

Рассмотрение воздуха при малых скоростях как несжимаемой жидкости приводит к тому, что в аэродинамике существует ряд законов, методов и уравнений, общих с гидродинамикой, изучающей законы 

движения несжимаемой жидкости.

Законы движения воздуха с большими скоростями, изучаемые в газовой динамике, отличны от законов движения при небольших скоростях.

Газодинамика — раздел аэродинамики, в котором 

изучаются законы движения газа (воздуха) при больших дозвуковых или сверхзвуковых скоростях, законы взаимодействия между воздушной средой и телом, движущимся в ней с большой дозвуковой или сверхзвуковой скоростью.

Успехи, достигнутые в создании мощных ракетных двигателей, позволили увеличить скорости полета летательного аппарата до космических — первой космической скорости, равной примерно 8 км/сек, и второй космической скорости— 11,2 км/сек.

Запуск искусственного спутника Земли, осуществленный впервые в СССР в 1957 г., открыл новую эру в освоении космического пространства. Поэтому наряду с дальнейшим развитием газодинамики умеренных сверхзвуковых скоростей возникла и начала интенсивно развиваться аэродинамика больших сверхзвуковых (гиперзвуковых) скоростей и больших высот (аэродинамика разреженных газов).

В основе газовой динамики лежит известная гипотеза о неразрывнрсти или сплошности движущейся среды, пренебрегающая межмолекулярными промежутками и молекулярными движениями и позволяющая рассматривать непрерывные изменения основных параметров газовой среды в пространстве и во времени.

В связи с проникновением современных летательных аппаратов в верхние слои атмосферы, т. е. в область весьма разреженной среды, гипотеза неразрывности перестаёт иметь место. Такую среду следует рассматривать как дисконтинуум, состоящий из отдельных частиц.

Для изучения законов движения этой среды необходимо привлекать методы молекулярной физики, что и составляет предмет газодинамики разреженных газов.

При обтекании тел гиперзвуковым потоком температура воздуха вблизи поверхности тела значительно повышается. При очень больших значениях температуры (выше 6000° К) происходит ионизация воздуха, в связи с чем он становится электропроводящим.

Свойства газовой среды

В классической аэродинамике и в гидродинамике изучение движения жидкости или движущихся в ней тел основано на предположении, что жидкость является несжимаемой. Однако, приступая к изучению свойств движения газов, приходится учитывать, что плотность газов существенно изменяется с изменением скорости и температуры.

Таким образом, при исследовании течения газа с большими скоростями или при больших температурных градиентах в потоке следует изучать влияние сжимаемости, т. е. изменение плотности.

Установлено, что изменение плотности, в результате как сжатия, так и расширения газа сопровождается изменением температуры.

Это означает, что при исследовании движения газа следует привлекать методы термодинамического анализа.

Истинное строение газа — молекулярное, т. е. газ состоит из большого числа отдельных молекул, хаотически движущихся друг относительно друга с большими скоростями.

Однако при изучении практических вопросов силового        взаимодействия между газом и находящимся в нем твердым телом, в чем и состоит основная задача аэродинамики, можно рассматривать газ как сплошную среду, в которой отсутствуют пустоты, межмолекулярные промежутки и молекулярное движение. Это предположение называется гипотезой непрерывности, или сплошности,  газовой среды.

Гипотеза сплошности крайне полезна, так как дает возможность рассматривать кинематические и динамические элементы движущегося газа (скорость, давление и др.) как непрерывные функции некоторых аргументов (например, декартовых координат' х, у, z и времени t), что позволяет использовать математический аппарат, базирующийся на непрерывных функциях.

Молекулярное строение жидкостей и газов при этом учитывается косвенно через физические свойства среды — плотность, вязкость, теплопроводность и т. д.

Гипотеза о сплошности жидкой среды не применима для сильно разреженных газов, когда длина свободного пробега молекул становится соизмеримой с линейными размерами обтекаемого тела.

При дозвуковых и умеренных сверхзвуковых скоростях воздух можно рассматривать как совершенный газ с постоянными удельными теплоемкостями. При гиперзвуковых скоростях, сопровождаемых значительным повышением температуры, удельные теплоемкости изменяются с изменением температуры и вследствие диссоциации и ионизации. В этом случае законы совершенного газа оказываются неприменимыми.