Газовая динамика

ГАЗОВАЯ ДИНАМИКА, раздел механики жидкости и газа, изучающий движения легкоподвижных сред в условиях, когда существенную роль играет их сжимаемость. Газовая динамика включает: аэродинамику больших скоростей (в том числе гиперзвуковую аэродинамику); динамику разреженных газов; физико-химическую газовую динамику (связанную, в частности, с теорией горения и детонации газов и с теорией радиационные процессов в газах); космическую газовую динамику, граничащую с астрофизикой; магнитогазодинамику и электрогазодинамику, которые примыкают к динамике плазмы, и некоторые другие разделы. Соответственно объекты исследования в газовой динамике весьма различны по масштабу - от течений газа в тончайших капиллярах до движений газовой среды в межзвёздном пространстве. Газовая  динамика тесно связана с акустикой и динамической метеорологией. Важнейшая область её приложения - авиационное, ракетное, энергетическое машиностроение. Задачи газовой динамики при проектировании разнообразных аппаратов, двигателей и других газовых машин состоят в определении сил давления и трения, температуры и теплового потока в любой точке поверхности, обтекаемой газом, в любой момент времени. Газовая  динамика опирается на теоретические и экспериментальные методы исследования.

Теоретическая газовая динамика начала складываться в 1-й половине 19 века, когда С. Д. Пуассон, Дж. Г. Стокс и С. Ирншоу, анализируя нелинейные эффекты при распространении волн давления в газе, предсказали возможность разрывов в пространственном распределении параметров среды. Во 2-й половине 19 века Б. Риман и Ж. С. Адамар существенно развили работы этих авторов. У. Дж. М. Ранкин и французский учёный П. А. Гюгоньо создали основу теории движений газа с разрывами. Э. Мах визуально зафиксировал существование разрывов - ударных волн - при движении воздуха, вызванном взрывом, и при полёте тел со сверхзвуковой скоростью. Во 2-й половине 19 века в газовой динамике стали использовать начала термодинамики - первое (закон сохранения энергии) и второе (закон неубывания энтропии в замкнутых адиабатических системах). На рубеже 19 и 20 века В. А. Михельсон, Д. Чепмен и Э. Жуге заложили основы газодинамической теории горения и детонации; работа С. А. Чаплыгина «О газовых струях» (1902) стала основой нового бурного этапа развития газовой динамики в 1930-е годы. В 1-й половине 20 века в теоретической газовой динамике разрабатывались теории обтекания крыла самолёта и тел вращения и теория движения газа в авиационных и ракетных двигателях. Тогда же были созданы аэродинамические трубы и другие экспериментальные установки для изучения течений газа с большими скоростями. Во 2-й половине 20 века С. А. Христианович дал общий анализ сверхзвуковых и смешанных течений и предложил систематическую классификацию этих течений. В области дозвуковых течений значительные достижения принадлежат М. В. Келдышу.

Классическая математическая модель в газовой динамике - это Эйлера уравнения (для газа без внутреннего трения) и Навье-Стокса уравнения (для вязкого газа). В прикладной газовой динамике применяются более простые теоретические модели газового потока и экспериментальные закономерности, найденные на основе подобия теории. Трудности расчёта течений вязкого газа связаны с тем, что эти течения (и соответствующие им решения уравнений Навье-Стокса) наиболее часто при росте Рейнольдса числа Re до некоторой величины Re* теряют устойчивость и становятся всё более сложными в уменьшающихся пространственных и временных масштабах (до достижения весьма малого масштаба Колмогорова). Современные вычислительные средства обеспечивают расчёты лишь до Re, примерно на порядок больших тех, при которых теряется устойчивость течения. Поэтому для расчёта турбулентных течений газа (Re >> Re*) уравнения Навье - Стокса дополняются полуэмпирическими соотношениями, приемлемыми для некоторых простых классов течений.

Для решения многих сложных задач газовой динамики её классические модели дополняются другими необходимыми соотношениями. Например, для химически реагирующих газовых смесей система уравнений должна включать уравнения химической кинетики и диффузии, а при высокой температуре - и уравнения переноса излучения.

Газовая  динамика продолжает бурно развиваться. Новые вычислительные, информационные и экспериментальные технологии существенно расширили её возможности.

Лит.: Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Гидродинамика. 3-е изд. М., 1986; Черный Г. Г. Газовая динамика. М., 1988; Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. 5-е изд. М., 1991; Овсянников Л. В. Лекции по основам газовой динамики. 2-е изд. Ижевск, 2003.