ВСТУП
Бурхливий розвиток авіакосмічної техніки, двигунобудування, компресорних станцій і трубопроводів газових магістралей, роботизованих систем на базі механотроніки в різних галузях промисловості, в енергетиці, в автоматизованих системах керування літальними апаратами, наземним транспортом і судами пред’являють підвищені вимоги до розрахунків і проектування конструкцій машин, силових пневмоприводів, а також пневматичних і електропневматичних пристроїв автоматики. Це обумовлює підсилення фундаментальної підготовки фахівців, які можуть працювати у відповідних напрямках.
Газодинамічні процеси і явища займають центральне місце в робочих процесах в проточних трактах лопатевихапаратів компресорних машин і турбін,пневмогазових систем автоматичного керування авіаційних і ракетних двигунів, пристроїв керування примежовими шарами на крилах і хвостовому оперенні літаків і ракет, їх допоміжного обладнання та інших об’єктів нової техніки.
Гідродинаміка вивчає рух газів з високими швидкостями, що спричиняє істотний вплив на характеристики течії стисливості як першопричини цілої низки якісно нових, порівняно з гідродинамікою, явищ, перше місце серед яких займають ударні хвилі. Це виділяє курс газодинаміки в один з окремих і важливих розділів фізики суцільних середовищ, який заснований на загальних законах термодинаміки та гідромеханіки, а у випадку сильно розріджених газів – на засадах кінетичної теорії газів.
Газодинаміка вивчає рух суцільного середовища за умов,коли на властивості руху
впливає стисливість, яка найбільш притаманна газам. Однак прояв властивості відносно легко змінювати свою густину залежить, у першу чергу, від швидкості руху середовища, коли стисливість відіграє вже досить істотну роль (у багатьох випадках більшу, ніж в’язкість, вплив якої обмежується тонким примежовим шаром при великих числах Рейнольдса).
Наприклад, при польоті літаказі швидкістю
100 150 м с 360 540 км год
стисливість легко стисливого повітря виявляє себе слабко і практично не впливає на розподіл тиску по поверхні крила та інші характеристики руху: повітря поводить себе приблизно як нестисливе середовище. Але при збільшенні швидкості руху відносна густини повітря зростає, стисливість все більше впливає на кількісні, а потім і якісні характеристики течії поблизу поверхонь літака, а отже,на особливості польоту.
Слово «газ» (від грецького chaos) як позначення середовищ в особливому стані увів голландський дослідник Ян Баптист Ван Хелмонт (1579–1644).
Газодинаміка базується на законах та рівняннях гідромеханіки та термодинаміки (макроскопічний, тобто феноменологічний метод), а для сильно розріджених газів — на молекулярно-кінетичній теорії газів (мікроскопічний метод).
Оцінку можливості опису високошвидкісних течій газу в межах законів гідромеханіки і термодинаміки застосуванням гіпотези суцільності здійснюють за допомогою числа Кнудсена Kn = ℓ/ℓо, де ℓ — середня довжина вільного пробігу молекул;ℓо — характерний лінійний розмір обтічного тіла (довжина обтічної пластини,
хорда крила, діаметр каналу з рухомим газом тощо). При Kn 1 гіпотеза суцільності
справджується. Але коли величина Kn сумірна з 1, а тим паче при Kп >1, має місце течія розрідженого газу з огляду на те, що ℓ ~ 1 , а це робить застосування континуального опису середовища та його руху неприйнятним. Звичайно для багатьох течій в задачах газодинаміки маємо ℓо > ℓ, оскільки, наприклад, для молекули кисню за атмосферних умов ℓ = 6,5·10–5мм.
Фундаторами газодинаміки як науки треба уважати видатногонімецького математика Г. Ф. Б. Рімана, шотландського фізика і інженераУ. Дж. М. Ренкіна, французьких математиків і механіківА. Ж. К. Сен-Венана, П.-А. Гюгоніо, Е. Жуге, австрійського фізика Е. Маха, російських вчених-механіків М. В. Маієвського, С. О. Чаплигіната інших визначнихвчених. Також слід відзначити великийвнесок в газодинаміку таких математиків і механіків, як Л. Прандтль, Т. Карман, С. О. Чаплигін, М. О. Лаврент’єв, Л. І. Седов, С. О. Христианович, М. В. Келдиш, А. О. Дородніцин, Я. Б. Зельдович, Г. Г. Чорний та інших.
Найбільш широко застосований в прикладній газодинаміці феноменологічний метод дослідження передбачає просторово-часову неперервність розподілу макроскопічних параметрів газу як суцільного середовища (швидкості , тиску р, густини , температури Т і т. п.) при їх переході від одного малого,але скінченого об’єму додругого, що дає можливість використовувати диференційовані функціональні залежності. Ця передумова порушується лише в задачах про ударні хвилі та стрибки ущільнення, для яких є характерними функціональні залежності з розривами першого роду. Однак треба зауважити, що в теоретичній газодинаміці, як і в загальній механіці рідин і газів при
великих числах Рейнольдса, існуютьпроблеми адекватності розрахункових моделей реальним процесам течії. По-перше, це пов’язано з відсутністю до теперішнього часу доведених теорем існування, єдиності та стійкості розв’язку рівнянь руху газу. По-друге, великі труднощі для теоретичного дослідження газодинамічних процесів складає їх значна нелінійність, що може призводити до різноманітних, а часто й неочікуваних, теоретичних і експериментальних результатів. Тому досить трудомісткі чисельні методи дослідження високошвидкісних течій, а також застосування існуючих програмних пакетів потребують залученняданих фізичних експериментів, які теж пов’язанііз значними часовимиі матеріальними затратами.
