宇宙氣體動力學(xué)（研究行星、恒星等問題的學(xué)科）

簡介

天體環(huán)境的尺度廣延，具有許多極端典型的物理條件，給氣體動力學(xué)提供了新的課題和領(lǐng)域，促進新概念和新方法的發(fā)展。目前，宇宙氣體動力學(xué)已經(jīng)廣泛地用來研究行星、行星際、恒星、恒星際、星系、星系際以及宇宙學(xué)等大量問題。

用氣體動力學(xué)方法預(yù)言太陽風(fēng)的存在，得到了觀測的證實。用高超聲速流的方法可以分析太陽風(fēng)在行星際天體的繞流現(xiàn)象。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，地球弓形激波是無碰撞的，從而揭示了一類新型的間斷特征（見日地間激波和磁流間斷）。無碰撞激波在天體物理學(xué)中被廣為應(yīng)用，在地面實驗室中，也是粒子加熱的一種手段。研究太陽風(fēng)與地磁場的相互作用，形成了地球磁層動力學(xué)（見地球磁層）。磁層結(jié)構(gòu)理論不僅應(yīng)用到其他行星，也應(yīng)用來解釋脈沖星磁層、頭尾星系（見射電星系）以及宇宙γ射線爆發(fā)等天體現(xiàn)象。磁層亞暴現(xiàn)象不僅同太陽耀斑有相似性，也可能同更激烈的天體爆發(fā)活動的機制相似。研究太陽對流層時，需要討論有高度壓縮性的、有很大溫度梯度的、并且有較差自轉(zhuǎn)效應(yīng)的流動特征。在太陽對流層中被激發(fā)的波動，是使太陽外層大氣溫度增高的主要能源。在太陽對流層中的磁場的位形變化，是太陽活動區(qū)產(chǎn)生和發(fā)展的根源。太陽的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)對于研究恒星有很大意義。

星際物質(zhì)的運動特征也是宇宙氣體動力學(xué)研究的重要課題。宇宙線、γ射線、 X射線等使星際氣體變熱。許多原子的碰撞和發(fā)射電磁波過程使星際氣體冷卻。根據(jù)熱力學(xué)參數(shù)不同，星際間有冷的密集暗星云，也有熱的氣體（見發(fā)射星云）。應(yīng)用流體力學(xué)的方法，研究自引力體系的穩(wěn)定性，促進了恒星形成理論的發(fā)展。

隨著觀測手段的發(fā)展，人們對星系的研究不斷深入，提出了許多新的課題。通過對自引力氣盤的流體力學(xué)平衡和穩(wěn)定性的分析，發(fā)展了解釋星系螺旋結(jié)構(gòu)的密度波理論。用氣體動力學(xué)方法還可以解釋氣云坍縮成星系的過程。類星體雙源結(jié)構(gòu)、宇宙早期演化中的碎裂過程、星系或星系團的形成（見星系的起源、星系的演化）等也都是宇宙氣體動力學(xué)的重要研究課題。

學(xué)科分支

氣體動力學(xué)開始于對彈丸運動、蒸汽渦輪等的研究，隨著航空和航天工業(yè)的蓬勃發(fā)展，出現(xiàn)了不少新的分支。

①高溫氣體動力學(xué)

高溫氣體動力學(xué)。研究高溫氣體的流動規(guī)律和伴隨的各種物理化學(xué)變化、能量傳遞和轉(zhuǎn)化規(guī)律。例如在噴氣發(fā)動機的燃燒室、再入大氣層航天器表面的激波層和高超聲速尾跡中，氣體溫度極高，氣體比熱不再是常數(shù)，完全氣體的狀態(tài)方程(p＝ρRT，p、ρ、T為氣體的壓力、密度、溫度，R為氣體常量）不再適用。此外，氣體分子內(nèi)部各種能級的激發(fā)（平動、轉(zhuǎn)動和振動等）處于不平衡狀態(tài)，出現(xiàn)非平衡流動。在極高溫度下，氣流中還伴有離解和電離過程以及物面燒蝕現(xiàn)象。因此，高溫氣體動力學(xué)的研究，要把氣體動力學(xué)與熱力學(xué)、統(tǒng)計物理、分子物理、化學(xué)動力學(xué)和電磁學(xué)等結(jié)合起來，并要用到物理、化學(xué)和氣體動力學(xué)等實驗技術(shù)，光譜、激光、電子、力學(xué)等測量方法，激波管、電弧加熱器等試驗設(shè)備。高溫氣體動力學(xué)的研究對航空航天工業(yè)、激光器、等離子體技術(shù)等方面的發(fā)展，有重要意義。

②稀薄氣體動力學(xué)

稀薄氣體動力學(xué)。研究克努曾數(shù)Kn（見流體力學(xué)相似準數(shù)）并非遠小于1的稀薄氣體的運動規(guī)律。對于在高空大氣層飛行的航天器，Kn不是小量，氣體分子離散結(jié)構(gòu)顯示其影響，經(jīng)典的連續(xù)介質(zhì)模型不再適用。在地面上研究5微米以下氣溶膠粒子的運動，也須考慮稀薄氣體效應(yīng)。研究稀薄氣體動力學(xué)，要用到玻耳茲曼氣體分子運動方程和氣體分子與固體表面相互作用的理論，以及低密度風(fēng)洞、激波風(fēng)洞、分子束裝置等實驗設(shè)備。稀薄氣體動力學(xué)的研究對人造地球衛(wèi)星、航天飛機及某些非航天技術(shù)的發(fā)展，起著重要作用。

③宇宙氣體動力學(xué)

宇宙氣體動力學(xué)。應(yīng)用氣體動力學(xué)的方法研究宇宙中物質(zhì)的形態(tài)和運動規(guī)律。宇宙中的物質(zhì)形態(tài)以等離子體為主，還有稀薄氣體，行星內(nèi)部有液態(tài)核，它們都是流體或磁流體。所以應(yīng)用流體力學(xué)和磁流體力學(xué)的理論和方法能描述很多宇觀尺度的天體過程。宇宙氣體動力學(xué)的研究領(lǐng)域已從行星環(huán)境擴展到太陽內(nèi)部，從氣體星云到星系，以至到局部宇宙的演化規(guī)律，并取得一批成果，其中包括太陽風(fēng)、地球磁層、氣體星云的收縮和碎裂、無碰撞激波、恒星大氣的反常加熱、宇宙中磁場的起源和演變、宇宙中的湍流特性、星系旋渦結(jié)構(gòu)的密度波理論等。現(xiàn)在，大量天體物理的問題都采用氣體動力學(xué)的概念和方法進行研究，而討論具體的物理化學(xué)過程又反過來擴展了氣體動力學(xué)的領(lǐng)域。

參考書目

S.U.Mahinder,Cosmic Gasdynamics,John Wiley andSons,New York,1974。

圖書

《氣體動力學(xué)》

氣體動力學(xué)

本書主要介紹可壓縮氣體動力學(xué)的基本理論及在航空發(fā)動機上的應(yīng)用。全書共分八章：第一章介紹氣體動力學(xué)的基本知識、基本概念和研究方法；第二章介紹流體運動的基本方程；第三章介紹一維定常流的基本方程；第四章介紹滯止參數(shù)與氣動數(shù)；第五章介紹膨脹波和激波；第六章介紹一維定常管流；第七章介紹黏性流動基礎(chǔ)；第八章介紹理想流體多維流動動力學(xué)基礎(chǔ)。

本書讀者對象主要為飛行器與動力工程專業(yè)的大專生、本科生，也可供從事航空動力工程的工程技術(shù)人員參考。

圖書目錄

第一章

基本知識

1.1　連續(xù)介質(zhì)的概念

1.1.1　連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)

1.1.2　連續(xù)介質(zhì)中一點處的密度和速度

1.2　氣體的基本屬性

1.2.1　氣體的壓縮性

1.2.2　氣體的黏性

1.2.3　氣體的導(dǎo)熱性

1.3　研究流體運動的方法及有關(guān)的概念

1.3.1　研究流體運動的方法

1.3.2　流體運動的分類

1.3.3　流場的描述

1.3.4　運動的轉(zhuǎn)換

1.3.5　體系和控制體

1.3.6　國際標準大氣?　　 2.1.1　體系、控制體

2.1.2　雷諾輸運方程

2.2　連續(xù)方程

2.1.1　積分形式的連續(xù)方程

2.1.2　微分形式的連續(xù)方程

思考題

習(xí)題

第二章　流體運動的基本方程

2.1　體系、控制體、雷諾輸運方程

2.3　動量方程和動量矩方程

2.3.1　積分形式的動量方程

2.3.2　動量矩方程

2.3.3　微分形式的動量方程

2.4　能量方程

2.4.1　積分形式的能量方程

2.4.2　微分形式的能量方程

思考題

第三章　一維定常流的基本方程

3.1　連續(xù)方程

3.2　動量方程和動量矩方程

3.2.1　積分形式的動量方程

3.2.2　動量矩方程

3.2.3　微分形式的動量方程

3.3?能量方程

3.3.1　能量方程的推導(dǎo)

3.3.2　能量方程的應(yīng)用

3.4　伯努利方程

3.4.1　伯努利方程的推導(dǎo)

3.4.2　伯努利方程的應(yīng)用

思考題

習(xí)題

第四章　滯止參數(shù)與氣動函數(shù)

4.1　聲速和馬赫數(shù)

4.1.1　聲速

4.1.2　馬赫數(shù)（Ma）

4.2　滯止參數(shù)和臨界參數(shù)

4.2.1　滯止狀態(tài)

4.2.2　滯止參數(shù)

4.2.3　臨界參數(shù)

4.3　極限速度與速度系數(shù)

4.3.1　極限速度

4.3.2　速度系數(shù)

4.4　氣體動力學(xué)函數(shù)及其應(yīng)用

4.4.1　氣流的靜參數(shù)與總參數(shù)之比的氣動函數(shù)

4.4.2　與流量有關(guān)的氣動函數(shù)

4.4.3　與沖力有關(guān)的氣動函數(shù)

思考題

習(xí)題

第五章　膨脹波和激波

5.1?弱擾動在氣流中的傳播

5.1.1　弱擾動在靜止氣體中的傳播

……

第六章　一維定常管流

第七章　黏性流動基礎(chǔ)

第八章　理想流體多維流動動力學(xué)基礎(chǔ)

附錄1　單位制與單位換算表

附錄2　第六章有關(guān)公式的推導(dǎo)

附錄3　國際標準大氣數(shù)值表

附錄4　一維等熵氣體動力學(xué)函數(shù)表（γ=1.4）

附錄5　一維等熵氣體動力學(xué)函數(shù)表（γ=1.33）

附錄6　一維等熵氣體動力學(xué)函數(shù)表（γ=1.25）

附錄7　超聲速氣流繞外凸角流動的數(shù)值表（γ=1.4）

附錄8　斜激波前后氣流參數(shù)表（完全氣體γ=1.4，δ取為整數(shù)）

附錄9　正激波前后氣流參數(shù)表（完全氣體γ=1.4）

附錄10　摩擦管流及換熱管流的數(shù)值表（γ=1.4）

參考文獻