Физическая энциклопедия - динамика разреженных газов

раздел газовой динамики, в к-ром при изучении течения газа низкой плотности учитывается его дискретная мол. структура. Методы Д. р. г., основанные на молекулярно-кинетич. теории газов, применяются для определения теплового и силового воздействия газа на поверхности летат. аппаратов, движущихся на больших высотах, а также при расчёте движения газов в вакуумных системах, истечения струй в пр-во с низким давлением и в задачах мол.

физики. Критерием, характеризующим степень разреженности движущегося газа, явл. число Кнудсена Kn»l/L, где l ср. длина свободного пробега молекул в газе, L характерный размер течения. Предположение о сплошности среды, лежащее в основе теор. методов гидроаэромеханики и газовой динамики, строго выполняется лишь в предельном случае KnВ®0, а практически оно оказывается справедливым уже при Kn1.

Режим течения, для к-рого справедливы указанные предположения, наз. с в о б о д н о м о л е к у л я р н ы м. Одной из приближённых схем описания вз-ствия молекул газа с тв. поверхностью при свободномол. течении является т. н. зеркально-диффузная схема, согласно к-рой часть молекул отражается диффузно в соответствии с законом косинуса (Ламберта законом), а остальные молекулы зеркально, т.

е. по закону угол падения равен углу отражения. Отношение кол-ва диффузно рассеянных молекул к общему их числу определяет степень диффузности f рассеяния (при f=0 происходит только зеркальное отражение, при f=1 только диффузное). Обмен энергией при вз-ствии молекул с тв. поверхностью характеризуют коэфф. аккомодации а, определяющим изменение энергии молекулы после её отражения от поверхности.

Значения а меняются от 0 до 1. Если после отражения энергия молекулы не изменилась, то a=0, если же ср. энергия отражённых молекул, характеризующая темп-ру газа, соответствует темп-ре стенки, то a=1. В общем случае коэффициенты f и a зависят от скорости столкновения молекул с поверхностью, от материала и темп-ры этой поверхности, от степени её гладкости, наличия на ней адсорбиров.

молекул газа и т. д. Переход от течения сплошной среды (KnВ®0) к свободномол. течению (KnВ®?), напр. при увеличении высоты полёта, осуществляется через ряд промежуточных режимов течения разреженного газа. Каждому из них соответствует определ. диапазон конечных значений числа Kn. В переходном режиме оказывается важным как учёт межмол.

столкновений, так и столкновений молекул газа с поверхностью обтекаемого тела. Для этого режима течения характерно проявление ряда сложных неравновесных мол. процессов, строгое теор. описание к-рых в промежуточной области чисел Kn представляет огромные матем. трудности, связанные с решением интегродифф. ур-ния Больцмана для изменения во времени и в пр-ве ф-ции распределения молекул по скоростям (см.

КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ГАЗОВ). Поэтому широко применяются приближённые теор. методы, позволяющие распространить теор. модели свободномол. течения и течения сплошной среды на режимы, соответствующие промежуточной области значения чисел Kn, близких к предельным. Так, разработаны приближённые методы расчёта аэродинамич. хар-к тел в случае, когда учитываются лишь однократные столкновения падающих на поверхность и отражённых от неё молекул (режим, примыкающий к свободномол.

течению). Ур-ния газовой динамики сплошной среды применяют и при Kn>10-3, но с новыми граничными условиями, учитывающими характерные для течения разреженного газа условия «скольжения» и «скачка темп-ры». Первое условие состоит в том, что параллельная стенке составляющая скорости газа на самой стенке отличается от нуля, а второе учитывает отличие темп-ры газа вблизи стенки от темп-ры стенки.

Различные, постепенно сменяющие друг друга режимы течения от свободномол. до континуального наблюдаются в классич. задаче Д. р. г. об обтекании газом плоской полубесконечной пластинки (рис. 1). При рассмотрении сверхзвук. обтекания затупленных тел в режимах, примыкающих к течению сплошной среды, число Kn определяют как отношение длины свободного пробега ls молекул в сжатом слое газа за отошедшей от тела ударной волной к характерному размеру тела. В случае полёта сферич. тела радиусом R»1 м со скоростью v»10 км/с и постепенном увеличении высоты полёта (уменьшении числа Kn=ls/R) можно выделить след. режимы, а) При Kn .