Г.Г. Чёрный - Газовая динамика (Г.Г. Чёрный - Газовая динамика.djvu), страница 3

Келдыш обсудил со мной план курса и содержание отдельных лекций, ему принадлежит и совет † изменяя основной теоретической направленности курса, стремиться сблизить его с прикладными техническими вопросами. С того времени и поныне я ежегодно читаю курс газовой динамики †снача в Московском физико-техническом институте и более тридцати лет †Московском государственном университете.'~ й"'"в На моих глазах происходило становление современной газовой динамики.

Многие замечательные ученые, мои коллеги, а позже и ученики, перечислить которых я здесь не в состоянии, в обстановке сотрудничества и доброжелательного творческого соперничества самым существенным образом способствовали превращению газовой динамики в то, что она есть сейчас. Из многих коллег назову лишь двух, кто рано ушел из жизни и частые острые дискуссии с кем оказали влияние на мою деятельность: из советских коллег это А А. Никольский, из зарубежных — А.

Ферри. Их имена известны всем специалистам— газодинамикам. ') Более детально многие вопросы прикладной газовой динамики изложены в книге 1В1. п»ьдисловив Я многому научился н продолжаю учиться у своих первых учеников, а ныне коллег — Г. А. Любимова, А. А. Гонора, А. Н. Крайко, А, Б.

Ватажнна и у других — более молодых. Первые исследования в области газовой динамики я выполнил под руководством Л. И. Седова, и все годы он был н остается строгим судьей моих работ и благородным примером творческой увлеченности, преданности науке н трудолюбия.

С волнением я буду ожидать его оценки н этой моей книги. Не скрою, мне было очень трудно решиться написать этот учебник. В нашей отечественной литературе непревзойденными образцами многие годы были разделы теоретической газовой динамики в двухтомнике И. А, Кибеля, Н. Е. Кочина и Н.

В. Розе «Теоретическая гидромеханика» [21 и в томе курса теоретической физики Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшица «Механика сплошной среды» (в новых посмертных изданиях †«Гндромеханика» [31). Сравнительно недавно появились университетские «Лекции по основам газовой динамики» Л. В. Овсянникова [51 †хоро продуманное сжатое изложение математических основ газовой динамики. И в зарубежной литературе есть фундаментальные руководства по газовой динамике; назову из них лишь книгу К.

Осватича «Огцпд!адеп бег Оазбупаш1к» [71. И все же я надеюсь, что предлагаемая мною книга найдет своего читателя — и студента, н инженера, и научного сотрудника, для которых основной целью является не постижение строгих математических основ газовой динамики, а изучение изложенного в книге материала для дальнейшего использования при решении конкретных естественно-научных нлн технических задач. Я искренне благодарен Г. Ю.

Степанову, внимательно прочитавшему рукопись и сделавшему большое число замечаний, позволивших улучшить первоначальный текст книги. Приношу благодарность А. Н. Крайко за полезные советы по дополнению содержания рукописи. Я заранее признателен всем, кто выскажет замечания по содержанию книги н форме изложения материала.

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ГАЗОВОЙ ДИНАМИКИ И ЭЛЕМЕНТЫ ПРИКЛАДНОЙ ГАЗОВОЙ ДИНА МИКИ й 1. Введение Газовая~динамика — раздел механики, изучающий движения легкоподвижных материальных сред в условиях, когда на свойства движения влияет сжимаемость вещества, т. е. его способность изменять свою плотность *). Все реальные среды — газообразные, жидкие и твердые — сжимаемы; при этом повседневный опыт показывает, что газы могут сравнительно легко и значительно изменять свою плотность, тогда как даже очень малое изменение плотности жидкостей и многих твердых тел требует значительных усилий.

Однако проявление свойства сжимаемости зависит не только от среды, но и в первую очередь от условий ее движения. В некоторых случаях даже относительно легкая сжимаемость среды слабо сказывается на основных закономерностях изучаемых движений. Так, при установившемся полете самолета с не очень большими скоростями (до 100 — 150 м/с) сжимаемость воздуха проявляется слабо и практически не влияет на распределение давления по поверхности крыла самолета и на другие важные характеристики движения воздуха. В этих условиях воздух можно считать несжимаемым. При дальнейшем увеличении скорости полета относительные изменения плотности воздуха растут и его сжимаемость начинает сказываться все сильнее— сначала на количественных характеристиках течения, а затем и на его качественных особенностях. В ряде случаев движений основные закономерности поведения среды целиком обусловлены ее сжимаемостью; при этом, сколь бы малы ни были изменения плотности среды, имн пренебрегать нельзя.

Так, при распространении в воде области повышенного давления от произведенного взрыва или при распространении в воздухе, воде, металлах звуковых возмущений относительные изменения плотности сред могут быть очень малыми и иметь порядок соответственно 10 ' ..ти 1О ' и менее. И все же, несмотря на столь малое проявление сжимаемости среды, именно это ее свойство и обусловливает само существование явлений распространения по среде сильного возмущения давления от взрыва или слабых звуковых возмущений и определяет основные закономерности этих явлений. «) Слово «гаа» для обозначения сред в особом состоянии ввел голландский естествоиспытатель Ян Баптист ван Хедмонт 1)579 — !644) от греческого слова сЬаоа — хаос. 12 гл. ь основныв понятия газонов динлмики Отметим еще, что при действии на конденсированные среды — твердые тела и жидкости — очень высоких давлений, возникающих при соударении тел с очень большой скоростью или при взрывах высокоэнергетических взрывчатых веществ и, тем более, при выделении энергии ядерных зарядов, может происходить динамическое сжатие вещества с увеличением его плотности в полтора — два раза.

При еще более концентрированном энергетическом воздействии на твердое тело, например при всестороннем облучении небольшой твердой сферы мощным лазерным излучением, плотность вещества может возрасти в десятки раз. Таким образом, наряду с газообразными средами (такими как воздух, природный газ, водяной пар, продукты горения или взрыва твердых веществ и т. п.) объектами изучения в газовой динамике— при определенных условиях в являются капельные жидкости (например, вода, керосин, расплавы и т. и.) и твердые в обычном состоянии вещества (например, металлы, лед, грунты и т. п. Для теоретического изучения поведения реальных сред при различных условиях их движения в газовой динамике, как и в других разделах механики, вводятся механические модели этих сред. В значительном числе случаев движения реальных сред происходят в условиях, когда эти среды с достаточным приближением можно описать моделью материальной сплошной среды или — иначе — моделью материального континуума.

Для возможности такого описания необходимо, чтобы в любом занятом средой объеме, даже столь малом, что в масштабах рассматриваемого явления его можно принять за материальную точку, число структурных элементов реальной среды было бы все еще очень большим, По-иному это означает, что характерный масштаб внутренней структуры среды должен быть пренебрежимо мал в сравнении с масштабом изучаемого движения в целом, Если реальная среда макроскопнчески однородна, то ее структурными элементами могут являться свободные электроны, атомы, молекулы, а также надмолекулярные микроскопические образования— кластеры, глобулы и др. В макроскопическп неоднородных сжимаемых средах структурные элементы весьма разнообразны.

Например, такой макроскопически неоднородной средой является грунт, состоящий из твердых деформируемых частиц разного вида (песок, глина) и заполненных воздухом и водой пустот между ними. Макроскопически неоднородны также влажный пар — газообразная среда с взвешенными в ней капельками жидкости — и жидкость с распределенными в ней пузырьками собственного пара илн другого газа. Масштабы внутренней структуры макроскопически однородных н макроскопически неоднородных сред могут быть весьма различными. Напомним, что в воздухе при нормальных условиях кубик со стороной 0,001 см содержит 2,7 10" молекул, при этом длина свободного пробега молекулы имеет порядок 10 ' мм; число молекул в таком же й1. ВВВДВНИВ 1З объеме воды еще иа три порядка больше, а расстояние между молекуламя воды имеет порядок 10 ' мм.