ガス動力学

気体運動学は流体力学の一分野であり、気体の運動とそれが物理系に与える影響の研究に関係する。流体力学と熱力学の原理に基づき、気体力学は遷音速飛行と超音速飛行における気体の流れの研究から生まれた。流体力学の他の科学と区別するために、気体力学の研究は、音速に匹敵するかそれを超える速度で物体の周囲または内部を流れ、温度と圧力に大きな変化を引き起こす気体で定義されることが多い。^[1] これらの研究の例には、ノズルとバルブのチョーク流、ジェット機の周囲の衝撃波、大気圏再突入体の空力加熱、ジェットエンジン内のガス燃料の流れなどが含まれるが、これらに限定されない。分子レベルでは、気体力学は気体の運動理論の研究であり、多くの場合、ガス拡散、統計力学、化学熱力学、非平衡熱力学の研究につながる。^[2]気体力学は、気体が空気であり、研究対象が飛行である場合、航空力学 と同義であり、航空機や宇宙船、およびそれぞれの推進システムの設計に非常に関連しています。

気体力学の進歩は遷音速飛行と超音速飛行の発達と同時期に起こった。航空機の飛行速度が上昇するにつれ、空気の密度が変化し始め、空気速度が音速に近づくにつれて空気抵抗が大幅に増加した。この現象は後に風洞実験で、航空機の周囲に衝撃波が形成されることによって引き起こされる影響であると特定された。第二次世界大戦中および戦後には、この挙動を説明する上で大きな進歩があり、圧縮性および高速流に関する新たな理解が気体力学の理論となった。

気体はブラウン運動する小さな粒子であるという概念が広く受け入れられ、温度、圧力、密度などの気体のマクロな特性は運動する粒子の衝突の結果であることが多数の定量的研究によって検証されるにつれて、^[3]気体の運動論の研究はますます気体力学の統合された一部となっていった。気体力学に関する現代の書籍や授業は、運動論の入門から始まることが多い。^{[2] [4]}コンピューターシミュレーションにおける分子モデリング の出現により、運動論は今日の気体力学の研究においてさらに関連性の高い主題となった。^{[5] [6]}

• 圧縮性
• マッハ数
• 拡散

気体力学は、分子が含まれる構造を無視せずに、衝突した2つの気体分子間の距離の平均値を概観する学問です。この分野では、気体の運動論の考え方に関する膨大な知識と実践的応用が必要であり、気体がどのように表面と反応するかを研究することで、気体の運動論と固体物理学を結び付けます。^[7]

流体は、大きな応力を受けても永久に変化しない物質です。固体は、大きな応力を受けても平衡を保つために変形する傾向があります。流体は、液体と気体の両方として定義されます。これは、流体内の分子が固体に含まれる分子よりもはるかに弱いためです。流体の密度を液体の観点から見ると、圧力が増加すると、液体の密度はわずかに変化します。流体を気体として参照する場合、密度は、気体の状態方程式 (p=ρRT) により、加えられる圧力の量に応じて大きく変化します。液体の流れの研究では、密度のわずかな変化を指すときに使用される用語は非圧縮性流れと呼ばれます。気体の流れの研究では、圧力の増加による急激な増加は圧縮性流れと呼ばれます。^[8]

実在気体は、式PV  =  zn ₀ RTの圧縮率 (z) によって特徴付けられます。圧力Pが体積Vの関数として設定され、その系列は設定温度Tによって決定されます。PとV は、温度が非常に高くなり始めると理想気体に見られる双曲線関係を取り始めます。グラフの傾きがゼロに等しくなると臨界点に達し、流体の状態が液体と蒸気の間で変化します。理想気体の特性には、粘性、熱伝導率、拡散が含まれます。^[4]

気体の粘性は、気体分子が層から層へと通過する際に、各分子が移動する結果です。気体は互いに通過する傾向があるため、運動量の形で、より速く移動する分子の速度は、より遅く移動する分子を加速します。より遅く移動する分子がより速く移動する分子を通過すると、より遅く移動する粒子の運動量はより速く移動する粒子を減速させます。分子は、摩擦抵抗によって両方の分子の速度が均等になるまで作用し続けます。^[4]

気体の熱伝導率は、分子は静止しており、気体の温度のみが変化しているという点を除いて、気体の粘性を分析することで求めることができます。熱伝導率は、特定の時間に特定の領域を横切って輸送される熱量として表されます。熱伝導率は常に温度勾配の方向と逆方向に流れます。^[4]

ガスの拡散は、ガスの濃度が均一で、ガスが静止している状態で発生します。拡散とは、2つのガス間の濃度勾配が弱いために、2つのガス間の濃度が変化することです。拡散とは、一定期間にわたる質量の移動です。^[4]

衝撃波は超音速流れ場の圧縮面として説明することができ、面を横切る流れのプロセスは流体特性の急激な変化をもたらします。衝撃波の厚さは流れ場のガス分子の平均自由行程に匹敵します。^[1]言い換えれば、衝撃波は温度、圧力、速度の大きな勾配が発生し、運動量とエネルギーの輸送現象が重要な薄い領域です。通常の衝撃波は流れの方向に対して垂直な圧縮面です。しかし、さまざまな物理的状況では、流れに対して斜めの圧縮波が発生します。このような波は斜め衝撃と呼ばれます。実際、外部の流れで自然に発生する衝撃はすべて斜めです。^[9]

静止した垂直衝撃波は、流れの方向の法線方向に進むものとして分類されます。たとえば、ピストンがチューブ内で一定速度で移動すると、チューブを伝わる音波が生成されます。ピストンが動き続けると、波が集まり始め、チューブ内のガスを圧縮します。垂直衝撃波に伴うさまざまな計算は、衝撃波が含まれているチューブのサイズによって異なります。収束-発散ノズルや面積が変化するチューブなどの異常は、体積、圧力、マッハ数などの計算に影響を与える可能性があります。^[10]

静止した通常の衝撃波とは異なり、移動する通常の衝撃波は物理的な状況でより一般的に存在します。たとえば、鈍い物体が大気圏に突入すると、動かないガスを媒介として衝撃が加わります。移動する通常の衝撃波に伴う基本的な問題は、静止したガスを通過する通常の衝撃波のモーメントです。移動する衝撃波の視点から、移動する衝撃波または動かない衝撃波として特徴付けられます。大気圏に突入する物体の例は、物体が衝撃波の反対方向に移動して移動する衝撃波を示していますが、物体が衝撃波に乗って宇宙空間に打ち上げられると、静止した衝撃波のように見えます。移動する衝撃波と静止した衝撃波の関係と比較、速度と衝撃比は、広範な式で計算できます。^[11]

摩擦力は、ダクト内の圧縮性流れの流動特性を決定する役割を果たします。計算では、摩擦は包括的または排他的として扱われます。摩擦が包括的である場合、圧縮性流れの解析は、摩擦が包括的でない場合と同様に複雑になります。摩擦が解析に排他的である場合、特定の制限が課されます。摩擦が圧縮性流れに含まれる場合、摩擦は解析結果が適用される領域を制限します。前述のように、ダクトの形状、たとえばさまざまなサイズやノズルは、摩擦と圧縮性流れの間の異なる計算に影響します。^[12]

特定の

一般的な

• リープマン、ハンス W.; ロシュコ、A. (2001) [1957].気体力学の要素.ドーバー出版. ISBN 0-486-41963-0。
• アンダーソン、ジョン・D・ジュニア（2001年1月）[1984]。空気力学の基礎（第3版）。マグロウヒル科学/工学/数学。ISBN 0-07-237335-0。
• シャピロ、アッシャー H. (1953)。圧縮性流体の流れのダイナミクスと熱力学、第 1 巻。ロナルド プレス。ISBN 978-0-471-06691-0。
• ザッカー、ロバート D. Biblarz O. (2002 年 7 月)。気体力学の基礎。ジョン・ワイリー＆サンズ。ISBN 0-471-05967-6。
• アンダーソン、ジョン・D・ジュニア（2000）[1989]。極超音速および高温ガス力学。AIAA。ISBN 1-56347-459-X。

• ジョージア工科大学のガス力学に関するウェブページ