宇宙氣體動(dòng)力學(xué)（研究行星、恒星等問(wèn)題的學(xué)科）

簡(jiǎn)介

天體環(huán)境的尺度廣延，具有許多極端典型的物理?xiàng)l件，給氣體動(dòng)力學(xué)提供了新的課題和領(lǐng)域，促進(jìn)新概念和新方法的發(fā)展。目前，宇宙氣體動(dòng)力學(xué)已經(jīng)廣泛地用來(lái)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(wèn)題。

用氣體動(dòng)力學(xué)方法預(yù)言太陽(yáng)風(fēng)的存在，得到了觀測(cè)的證實(shí)。用高超聲速流的方法可以分析太陽(yáng)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(wú)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(wú)碰撞激波在天體物理學(xué)中被廣為應(yīng)用，在地面實(shí)驗(yàn)室中，也是粒子加熱的一種手段。研究太陽(yáng)風(fēng)與地磁場(chǎng)的相互作用，形成了地球磁層動(dòng)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(lái)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(yáng)耀斑有相似性，也可能同更激烈的天體爆發(fā)活動(dòng)的機(jī)制相似。研究太陽(yáng)對(duì)流層時(shí)，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(dòng)特征。在太陽(yáng)對(duì)流層中被激發(fā)的波動(dòng)，是使太陽(yáng)外層大氣溫度增高的主要能源。在太陽(yáng)對(duì)流層中的磁場(chǎng)的位形變化，是太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)產(chǎn)生和發(fā)展的根源。太陽(yáng)的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)對(duì)于研究恒星有很大意義。

星際物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)特征也是宇宙氣體動(dòng)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(guò)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(jìn)了恒星形成理論的發(fā)展。

隨著觀測(cè)手段的發(fā)展，人們對(duì)星系的研究不斷深入，提出了許多新的課題。通過(guò)對(duì)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(dòng)力學(xué)方法還可以解釋氣云坍縮成星系的過(guò)程。類星體雙源結(jié)構(gòu)、宇宙早期演化中的碎裂過(guò)程、星系或星系團(tuán)的形成（見星系的起源、星系的演化）等也都是宇宙氣體動(dòng)力學(xué)的重要研究課題。

學(xué)科分支

氣體動(dòng)力學(xué)開始于對(duì)彈丸運(yùn)動(dòng)、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(dòng)力學(xué)

高溫氣體動(dòng)力學(xué)。研究高溫氣體的流動(dòng)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(dòng)機(jī)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(jí)的激發(fā)（平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)等）處于不平衡狀態(tài)，出現(xiàn)非平衡流動(dòng)。在極高溫度下，氣流中還伴有離解和電離過(guò)程以及物面燒蝕現(xiàn)象。因此，高溫氣體動(dòng)力學(xué)的研究，要把氣體動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理、分子物理、化學(xué)動(dòng)力學(xué)和電磁學(xué)等結(jié)合起來(lái)，并要用到物理、化學(xué)和氣體動(dòng)力學(xué)等實(shí)驗(yàn)技術(shù)，光譜、激光、電子、力學(xué)等測(cè)量方法，激波管、電弧加熱器等試驗(yàn)設(shè)備。高溫氣體動(dòng)力學(xué)的研究對(duì)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(dòng)力學(xué)

稀薄氣體動(dòng)力學(xué)。研究克努曾數(shù)Kn（見流體力學(xué)相似準(zhǔn)數(shù)）并非遠(yuǎn)小于1的稀薄氣體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。對(duì)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(yùn)動(dòng)，也須考慮稀薄氣體效應(yīng)。研究稀薄氣體動(dòng)力學(xué)，要用到玻耳茲曼氣體分子運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)設(shè)備。稀薄氣體動(dòng)力學(xué)的研究對(duì)人造地球衛(wèi)星、航天飛機(jī)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(dòng)力學(xué)

宇宙氣體動(dòng)力學(xué)。應(yīng)用氣體動(dòng)力學(xué)的方法研究宇宙中物質(zhì)的形態(tài)和運(yùn)動(dòng)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(guò)程。宇宙氣體動(dòng)力學(xué)的研究領(lǐng)域已從行星環(huán)境擴(kuò)展到太陽(yáng)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(yáng)風(fēng)、地球磁層、氣體星云的收縮和碎裂、無(wú)碰撞激波、恒星大氣的反常加熱、宇宙中磁場(chǎng)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?，F(xiàn)在，大量天體物理的問(wèn)題都采用氣體動(dòng)力學(xué)的概念和方法進(jìn)行研究，而討論具體的物理化學(xué)過(guò)程又反過(guò)來(lái)擴(kuò)展了氣體動(dòng)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(dòng)力學(xué)》

氣體動(dòng)力學(xué)

本書主要介紹可壓縮氣體動(dòng)力學(xué)的基本理論及在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用。全書共分八章：第一章介紹氣體動(dòng)力學(xué)的基本知識(shí)、基本概念和研究方法；第二章介紹流體運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)基礎(chǔ)；第八章介紹理想流體多維流動(dòng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)。

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

圖書目錄

第一章

基本知識(shí)

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(diǎn)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(yùn)動(dòng)的方法及有關(guān)的概念

1.3.1　研究流體運(yùn)動(dòng)的方法

1.3.2　流體運(yùn)動(dòng)的分類

1.3.3　流場(chǎng)的描述

1.3.4　運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換

1.3.5　體系和控制體

1.3.6　國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣?　　 2.1.1　體系、控制體

2.1.2　雷諾輸運(yùn)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(yùn)動(dòng)的基本方程

2.1　體系、控制體、雷諾輸運(yùn)方程

2.3　動(dòng)量方程和動(dòng)量矩方程

2.3.1　積分形式的動(dòng)量方程

2.3.2　動(dòng)量矩方程

2.3.3　微分形式的動(dòng)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(dòng)量方程和動(dòng)量矩方程

3.2.1　積分形式的動(dòng)量方程

3.2.2　動(dòng)量矩方程

3.2.3　微分形式的動(dòng)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(dòng)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?fàn)顟B(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(dòng)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(dòng)函數(shù)

4.4.2　與流量有關(guān)的氣動(dòng)函數(shù)

4.4.3　與沖力有關(guān)的氣動(dòng)函數(shù)

思考題

習(xí)題

第五章　膨脹波和激波

5.1?弱擾動(dòng)在氣流中的傳播

5.1.1　弱擾動(dòng)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(dòng)基礎(chǔ)

第八章　理想流體多維流動(dòng)動(dòng)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣數(shù)值表

附錄4　一維等熵氣體動(dòng)力學(xué)函數(shù)表（γ=1.4）

附錄5　一維等熵氣體動(dòng)力學(xué)函數(shù)表（γ=1.33）

附錄6　一維等熵氣體動(dòng)力學(xué)函數(shù)表（γ=1.25）

附錄7　超聲速氣流繞外凸角流動(dòng)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(xiàn)