Газодинамика

Газодина́мика (или га́зовая дина́мика) — раздел механики, изучающий законы движения газообразной среды и её взаимодействия с движущимися в ней твёрдыми телами. Чаще встречается под названием аэродина́мика (от др.-греч. ἀηρ — воздух и δύναμις — сила), но включает в себя не только аэродинамику, но и собственно газовую динамику. Последняя исторически возникла как дальнейшее развитие и обобщение аэродинамики, и именно поэтому часто говорят о единой науке — аэрогазодинамике. Как часть физики, аэрогазодинамика тесно связана с термодинамикой и акустикой.

Конденсация пара в сверхзвуковых областях с пониженной температурой при околозвуковом полете. В задней части облака (на фотографии не видна) образуются ударные волны, в которых поток тормозится (эффект Прандтля — Глоерта)

Формальное исследование аэродинамики в современном смысле началось в восемнадцатом веке, хотя наблюдения фундаментальных понятий, таких как аэродинамическое сопротивление были описаны гораздо раньше. Большинство первых исследований в аэродинамике были направлены на достижение полета воздушного судна, что было впервые продемонстрировано Отто Лилиенталем в 1891 году. С тех пор использование аэродинамики посредством математического анализа, эмпирических приближений, экспериментов в аэродинамической трубе и компьютерное моделирование сформировало рациональную основу для развития полета воздушных судов и ряда других технологий. Последние работы в области аэродинамики были сосредоточены на проблемах, связанных со сжимаемым потоком, турбулентностью и пограничными слоями.

Аэродинамика

Раздел гидроаэромеханики, в котором изучаются законы движения воздуха и силы, возникающие на поверхности тел, относительно которых происходит его движение. В аэродинамике рассматривают движение с дозвуковыми скоростями, то есть в нормальных условиях до 340 м/с (1200 км/ч).

Прикладные задачи аэродинамики:

• распределение давления на поверхности тела;
• определение сил и моментов, действующих на обтекаемое газом тело;
• распределение скоростей в воздушном потоке, обтекающем тело;
• расчёт вентиляции;
• расчёт пневмотранспорта.

Специальный раздел аэродинамики — аэродинамика самолёта — занимается разработкой методов аэродинамического расчёта и определением аэродинамических сил и моментов, действующих на самолёт в целом и на его части — крыло, фюзеляж, оперение и т. д. К аэродинамике самолёта относят: расчёт устойчивости, балансировки самолёта, теорию воздушных винтов, теорию крыла. Вопросы, связанные с изменяющимся нестационарным режимом движения летательных аппаратов, рассматриваются в специальном разделе — динамике полёта.

Результаты аэродинамики находят многообразные применения в самолётостроении, авиастроении, автомобилестроении и в различных летательных аппаратах.

История аэродинамики

Основателем современной аэродинамики и аэрогидродинамики считается великий русский учёный Николай Егорович Жуковский. В 1902 году он руководил сооружением аэродинамической трубы всасывающего типа при механическом кабинете Московского университета, в которой осевым вентилятором создавался воздушный поток со скоростью до 9 м/с. В 1904 году возглавил первый в Европе аэродинамический институт, созданный на средства Д. П. Рябушинского в посёлке Кучино под Москвой. В 1905-м году 15 ноября Николай Егорович Жуковский дал формулу для расчёта подъёмной силы, являющейся основой всех аэродинамических расчётов самолёта. С 1918 года возглавлял ЦАГИ (Центральный аэрогидродинамический институт).

Газовая динамика

Основатель аэрогидродинамики Николай Жуковский на почтовой марке. 1963

Газовая динамика возникла как дальнейшее развитие аэродинамики и имеет дело с ситуациями, в которых условия существенно отличаются от нормальных.

В отличие от классической аэродинамики, газовая динамика имеет дело с такими задачами, в которых сжимаемость газа становится существенным фактором, влияющим на его поведение. В первую очередь, это — задачи о движении газовых потоков со скоростями, близкими или превышающими скорость звука в газе, что приводит к появлению значительных перепадов давления и ударных волн. Другим примером служат те процессы в газовых средах, которые сопровождают экзотермическими (горение, взрыв) или эндотермическими (диссоциация) химическими реакциями: в этих случаях из-за изменения средней молекулярной массы газа и процессов энерговыделения модель идеального газа неприменима.

Возникновение газовой динамики относится к середине и второй половине XIX века и связано с основополагающими работами К. Доплера, Г. Римана, Э. Маха, У. Дж. Ранкина и П.-А. Гюгонио. Бурное развитие данный раздел механики переживает в XX веке; среди многих имён учёных, внёсших значительный вклад в развитие газовой динамики, следует назвать С. А. Чаплыгина, Дж. Тейлора, Л. И. Седова, Я. Б. Зельдовича.

См. также

• Сверхзвуковая скорость
• Ударная волна
• Геофизическая гидродинамика
• Аэродинамическая авиатехника
• Аэродинамика автомобиля

Литература

• Годунов С. К., Забродин А. В., Иванов М. Я., Крайко А. Н., Прокопов Г. П.  Численное решение многомерных задач газовой динамики. — М.: Наука, 1976. — 400 с.
• Дейч М. Е.  Техническая газодинамика. — М.: Энергия, 1974.
• Дейч М. Е., Филиппов Г. А.  Газодинамика двухфазных сред. — М.: Энергоатомиздат, 1981.
• Дейч М. Е., Зарянкин А. Е.  Гидрогазодинамика. — М.: Энергоатомиздат, 1984.
• Киреев В. И., Войновский А. С.  Численное моделирование газодинамических течений. — М.: Изд-во МАИ, 1991. — 254 с. — ISBN 5-7035-0148-2.
• Крайко А. Н.  Вариационные задачи газовой динамики. — М.: Наука, 1979. — 447 с.
• Асимптотическая теория сверхзвуковых течений вязкого газа / В. Я. Нейланд, В.В. Боголепов, Г.Н. Дудин, И.И. Липатов. - М. : Физматлит, 2004. - 455 с. : ил.; 24.; ISBN 5-9221-0469-1
• Теория гиперзвуковых вязких течений : учеб. пос. / В. А. Башкин, Г. Н. Дудин ; - Москва : МФТИ, 2006. - 327 с. : ил.; 21 см.; ISBN 5-7417-0062-4
• Широков М. Ф.  Физические основы газодинамики. — М.: Физматлит, 1958. — 340 с.
• Мизес Р.  Математическая теория течений сжимаемой жидкости. — М.: ИИЛ, 1961. — 588 с.
• Соу С.  Гидродинамика многофазных сред. — М.: Мир, 1971.
• Falkovich, G. Fluid Mechanics, a short course for physicists (англ.). — Cambridge University Press, 2011. — ISBN 978-1-107-00575-4.

Ссылки

• Аэродинамика // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
• Современные проблемы аэрофизики
• «Аэродинамика» Лекция Юрия Рыжова из цикла ACADEMIA (видео)
• Сайт, посвященный гидродинамике с видео, вопросами и т. д.
• Учебный фильм «Общие законы аэродинамики»