ГАЗОВАЯ ДИНАМИКА

ГАЗОВАЯ ДИНАМИКА раздел гидроаэромеханики,
в к-ром изучается движение сжимаемых газообразных и жидких сред и их взаимодействие
с твёрдыми телами. Как часть физики, Г. д. связана с термодинамикой и
акустикой.

Свойство сжимаемости состоит в способности
вещества изменять свой первоначальный объём под действием перепада давления
или при изменении темп-ры. Поэтому сжимаемость становится существенной лишь
при больших скоростях движения среды, соизмеримых со скоростью распространения
звука в этой среде и превосходящих её, когда в среде возникают большие перепады
давления (см. Бернулли уравнение) и большие градиенты темп-ры. Современная
Г. д. изучает также течения газов при
высоких темп-pax, сопровождающиеся химическими (диссоциация, горение и др. химич.
реакции) и физическими (ионизация, излучение) процессами. Изучение движения
газов при таких условиях, когда газ нельзя считать сплошной средой, а необходимо
рассматривать взаимодействие составляющих его молекул между собой и с твёрдыми
телами, относится к области аэродинамики разреженных газов, основанной
на молекулярно-кинетич. теории газов. Динамика сжимаемого газа при малых скоростях
движения больших возд. масс в атмосфере составляет основу динамической метеорологии.
Г. д. исторически возникла как дальнейшее развитие и обобщение аэродинамики,
поэтому часто говорят о единой науке - аэрогазодинамике.

Теоретич. основу Г. д. составляет применение
осн. законов механики и термодинамики к движущемуся объёму сжимаемого газа.
Навье- Стокса уравнения, описывающие движение вязкого сжимаемого газа,
были получены в 1-й пол. 19 в. Нем. учёный Б. Риман (1860), англ.- У. Ранкин
(1870), франц.-А. Гюгоньо (1887) исследовали распространение в газе ударных
волн, к-рые возникают только в сжимаемых средах и движутся со скоростью,
превышающей скорость распространения в них звуковых волн. Риман создал также
основы теории неустановившихся движений газа, т. е. таких движений, когда параметры
газового потока в каждой его точке изменяются с течением времени.

Фундаментальную роль в формировании
Г. д. как самостоятельной науки сыграла опубл. в 1902 работа С. А. Чаплыгина
"О газовых струях". Развитые в ней методы решения газодинамич. задач
получили впоследствии широкое распространение и обобщение. Плодотворный метод
решения задач Г. д. предложили в 1908 нем. учёные Л. Прандтль и Т. Майер, исследовавшие
частный случай течения газа с непрерывным увеличением скорости. В 1922 в работе
"Опыт гидромеханики сжимаемой жидкости" сов. учёный А. А. Фридман
заложил основы динамич. метеорологии. В 1929 нем. учёными Л. Прандтлем и А.
Бузе-маном был разработан эффективный численно-графич. метод решения широкого
класса газодинамич. задач, распространённый в 1934 сов. учёным Ф. И. Франклем
на более сложные случаи течения газа. Эти методы широко применяются при решении
задач Г. д. с помощью ЭВМ. В 1921 в СССР была создана, а в 1927 оформилась как
научное учреждение газодинамическая лаборатория, деятельность к-рой совместно
с Группой изучения реактивного движения (1932) заложила основы сов. ракетной
техники.

Как самостоят, раздел гидроаэромеханики
Г. д. существует с 1930, когда рост скоростей в авиации потребовал серьёзного
исследования влияния сжимаемости при изучении движения воздуха. В 1935 в Риме
состоялся 1-й междунар. конгресс по Г. д. Интенсивное развитие Г. д. началось
во время и особенно после окончания 2-й мировой войны 1939-45 в связи с широким
использованием Г. д. в технике: применение реактивной авиации, ракетного оружия,
ракетных и воздушно-реактивных двигателей; полёты самолётов и снарядов со сверхзвуковыми
скоростями; создание атомных бомб, взрыв к-рых
влечёт за собой распространение сильных взрывных и ударных волн. В этот период
Г. д. выдающуюся роль сыграли исследования сов. учёных С. А. Христиановича,
А. А. Дородницына, Л. И. Седова, Г. И. Петрова, Г. Г. Чёрного и др., нем. учёных
Прандтля, Буземана, англ, учёных Дж. Тейлора, Дж. Лайтхилла, амер. учёных Т.
Кармана, А. Ферри, У. Хейса, кит. учёного Цянь Сюэ-сэня, а также учёных др.
стран.

Задачи Г. д. при проектировании разнообразных
аппаратов, двигателей и газовых машин состоят в определении сил давления и трения,
темп-ры и теплового потока в любой точке поверхности тела или канала, омываемых
газом, в любой момент времени. При исследовании распространения газовых струй,
взрывных и ударных волн, горения и детонации методами Г. д. определяются давление,
темп-pa и др. параметры газа во всей области распространения. Изучение поставленных
техникой сложных задач превратило совр. Г. д. в науку о движении произвольных
смесей газов, к-рые могут содержать также твёрдые и жидкие частицы (напр., выхлопные
газы ракетных двигателей на жидком или твёрдом топливе), причём параметры, характеризующие
состояние этих газов (давление, темп-pa, плотность, электропроводность и др.),
могут изменяться в широких пределах.

Для развития совр. Г. д. характерно
неразрывное сочетание теоретич. методов, использования ЭВМ и постановки сложных
аэродинамич. и физич. экспериментов. Теоретич. представления, частично опирающиеся
на экспериментальные данные, позволяют описать с помощью уравнений движение
газовых смесей сложного состава, в т. ч. многофазных смесей при наличии физико-химич.
превращений. Методами прикладной математики разрабатываются эффективные способы
решения этих уравнений на ЭВМ. Наконец, из экспериментальных данных определяются
необходимые значения физич. и химич. характеристик, свойственных изучаемой среде
и рассматриваемым процессам (коэфф. вязкости и теплопроводности, скорости химич.
реакций, времена релаксации и др.).

Мн. задачи, поставленные совр. техникой
перед Г. д., пока не могут быть решены расчётно-теоретич. методами, в этих случаях
широко пользуются газодинамич. экспериментами, поставленными на основе подобия
теории и законов гидро-динамич. и аэродинамич. моделирования. Газодинамич.
эксперименты в аэрогазоди-намич. лабораториях проводятся в сверхзвуковых и гиперзвуковых
аэродинамических трубах, на баллистич. установках, в ударных и импульсных
трубах и на др. газодинамич. установках спец. назначения (см. также Аэродинамические
измерения).

Законами Г. д. широко пользуются во
внешней и внутр. баллистике, при изучении таких явлений, как взрыв, горение,
детонация, конденсация в движущемся потоке. Прикладная Г. д., в к-рой обычно
применяются упрощённые теоретич. представления об осреднённых по поперечному
сечению параметрах газового потока и основные закономерности движения, найденные
экспериментальным путём, используется при расчёте компрессоров и турбин, сопел
и диффузоров, ракетных двигателей, аэродинамич. труб, эжекторов, газопроводов
и мн. др. технических устройств.

Газодинамич. исследования ведутся в
тех же науч. учреждениях, что и исследования по аэродинамике, а результаты их
публикуются в тех же научных журналах и сборниках.

Лит.: Основы газовой динамики,
под ред. Г. Эммонса, пер. с англ., М., 1963; Карман Т., Сверхзвуковая аэродинамика.
Принципы и приложения, пер. с англ., М., 1948; Абрамович Г. Н., Прикладная газовая
динамика, 3 изд., М., 1969; Чёрный Г. Г., Течения газа с большой сверхзвуковой
скоростью, М., 1959; Станюкович К. П., Неустановившиеся движения сплошной среды,
М., 1955; Зельдович Я. Б., Райзер Ю. П., физика ударных волн и высокотемпературных
гидродинамических явлений, М., 1963.

С. Л. Вишневецкий.