什么是气体动力学?

[拼音]：qiti donglixue

[外文]：gas dynamics

流体动力学的重要分支，主要研究密度有较大变化


的气体的流动，包括各种管道和透平机械通道中高速气体的流动，物体在大气中的高速运动，爆炸、快速关闭阀门或物体在气体中突然加速引起的流体流动等。气体动力学考虑流体热力状态的变化，所以与热力学有密切的联系。

d性介质中微小扰动的传播速度。气体动力学研究的d性介质就是可压缩流体。声速反映扰动传播过程中流体压力对密度的变化率。扰动传播过程是定熵过程（见热力过程、熵）。因此，声速

式中p为压力，


为密度，下角标s表示定熵过程。

对于常比热容理想气体

式中γ为比热容比，R为气体常数，T为热力学温度。

对于空气

例如15℃(288.15K)空气的声速为340.2米／秒。

当地流速（空间某点的流速）与声速的比值称为马赫数Μa。Μa＞1的流动称为超声速流，Μa＜1的流动称为亚声速流。超声速流与亚声速流中的扰动传播有本质的差别。图中A为扰动源，若气体没有流动(即速度v=0)，则扰动以A为中心，Cτ为半径的球面波传播，τ为时间。若气体以匀速v向右流动，则球面波中心以气流速度v前进。这时，对于亚声速流(Μa<1)τ秒后扰动的影响区在对A点偏心的球面内，扰动向各个方向传播，经足够长时间后可达到流场中任何地方；但对于超声速流(ΜaA为顶点的圆锥传播，这一圆锥称为马赫锥，锥角


称为马赫角。

定熵流动是流动中不发生激波、流动时与外界没有热交换、且忽略了粘性影响的流动。定常流动是流场中各点的物理量（如压力、速度）均不随时间变化的流动。许多实际流动，如管道和透平机械通道中的流动，通常可认为是定常定熵流动。这时沿流线的熵值不变。

气体在截面积缓慢变化的管道内作定常定熵流动时，截面积变化与速度变化的关系式为

式中A为管道横截面积;v和Μa分别为截面上的平均流速和马赫数。

（1）Μa＜1时，若管道截面积沿着流动方向减小，则流速增大;若截面积增大，则流速减小。

（2）Μa＞1时，恰恰相反。

（3）声速截面(Μa=1)一定是最小截面。这种性质表明，从大容器中流出的气体，必须通过先收缩后扩张的喷管才有可能得到超声速出口气流，这种喷管称为拉瓦尔喷管。如果大容器中的气体通过收缩喷管流出，则出口气流速度最大为声速。

变截面管道内通过的质量流量qm=


vA，式中


v为管道单位面积上通过的质量流量，称为密流。声速截面处截面积最小，密流最大。这时单靠降低喷管下游压力(即背压）已不能增大流量，这种现象称为堵塞，堵塞时喷管中的流量称为堵塞流量。

对于流场中任一具有速度的流体质点，假想它定常定熵地滞止到速度为零时，该质点的热力状态参数称为该点的滞止参数，又称驻点参数，用下角标“0”表示。

定常定熵流动中，滞止参数沿流线保持不变，激波前后滞止温度相同，但激波后滞止压力下降。

常比热理想气体作定常定熵流动时，其热力状态参数对滞止参数的比值与马赫数的关系。其表达式为

对于各种常用气体，这种关系式已制成表格形式备查。

流场中压力和密度突然增大的间断面（见激波）。

参考书目

李普曼等著，时爱民等译：《气体动力学基础》，机械工业出版社，北京，1982。（H.W.Liepmann and A.Roshko， Elements of Gas Dynamics，John Wiley and Sons，New York，1957.）