氣體動力學

流體力學的一個分支，在連續介質假設下，研究與熱力學現象有關的氣體的運動規律及其與相對運動物體之間的相互作用。氣體在低速流動時屬不可壓縮流動，其熱力狀態的變化可以不考慮；但在高速流動(如馬赫數大於0.3左右)時，氣體的壓縮效應不能忽略，其熱力狀態也發生明顯的變化，氣體運動既要滿足流體力學的定律，也要滿足熱力學的定律。流體力學和熱力學的緊密結合，便形成了氣體動力學。

氣體動力學

正文

流體動力學的重要分支，主要研究密度有較大變化的氣體的流動,包括各種管道和透平機械通道中高速氣體的流動，物體在大氣中的高速運動，爆炸、快速關閉閥門或物體在氣體中突然加速引起的流體流動等。氣體動力學考慮流體熱力狀態的變化，所以與熱力學有密切的聯繫。
聲速　彈性介質中微小擾動的傳播速度。氣體動力學研究的彈性介質就是可壓縮流體。聲速反映擾動傳播過程中流體壓力對密度的變化率。擾動傳播過程是定熵過程（見熱力過程、熵）。因此，聲速

式中p為壓力，為密度，下角標s表示定熵過程。
對於常比熱容理想氣體

式中γ為比熱容比，R為氣體常數，T為熱力學溫度。對於空氣

例如15℃(288.15K)空氣的聲速為340.2米／秒。
馬赫數、馬赫錐、馬赫角　當地流速（空間某點的流速）與聲速的比值稱為馬赫數Μa。Μa＞1的流動稱為超聲速流,Μa＜1的流動稱為亞聲速流。超聲速流與亞聲速流中的擾動傳播有本質的差別。圖中A為擾動源,若氣體沒有流動(即速度v=0)，則擾動以A為中心，Cτ為半徑的球面波傳播，τ為時間。若氣體以勻速v向右流動，則球面波中心以氣流速度v前進。這時,對於亞聲速流(Μa<1)τ秒後擾動的影響區在對A點偏心的球面內，擾動向各個方向傳播,經足夠長時間後可達到流場中任何地方；但對於超聲速流(ΜaA為頂點的圓錐傳播,這一圓錐稱為馬赫錐，錐角稱為馬赫角。

氣體動力學

定常定熵流動　定熵流動是流動中不發生激波、流動時與外界沒有熱交換、且忽略了粘性影響的流動。定常流動是流場中各點的物理量（如壓力、速度）均不隨時間變化的流動。許多實際流動，如管道和透平機械通道中的流動，通常可認為是定常定熵流動。這時沿流線的熵值不變。
氣體在截面積緩慢變化的管道內作定常定熵流動時，截面積變化與速度變化的關係式為

式中A為管道橫截面積;v和Μa分別為截面上的平均流速和馬赫數。①Μa＜1時,若管道截面積沿著流動方向減小，則流速增大;若截面積增大,則流速減小。②Μa＞1時,恰恰相反。③聲速截面(Μa=1)一定是最小截面。這種性質表明，從大容器中流出的氣體，必須通過先收縮後擴張的噴管才有可能得到超聲速出口氣流，這種噴管稱為拉瓦爾噴管。如果大容器中的氣體通過收縮噴管流出，則出口氣流速度最大為聲速。
變截面管道內通過的質量流量qm=vA,式中v為管道單位面積上通過的質量流量，稱為密流。聲速截面處截面積最小,密流最大。這時單靠降低噴管下游壓力(即背壓）已不能增大流量，這種現象稱為堵塞，堵塞時噴管中的流量稱為堵塞流量。
滯止參數　對於流場中任一具有速度的流體質點，假想它定常定熵地滯止到速度為零時，該質點的熱力狀態參數稱為該點的滯止參數，又稱駐點參數，用下角標“0”表示。
定常定熵流動中，滯止參數沿流線保持不變，激波前後滯止溫度相同，但激波後滯止壓力下降。
定熵關係式　常比熱理想氣體作定常定熵流動時，其熱力狀態參數對滯止參數的比值與馬赫數的關係。其表達式為

對於各種常用氣體，這種關係式已製成表格形式備查。
激波　流場中壓力和密度突然增大的間斷面（見激波）。
參考書目
　李普曼等著，時愛民等譯：《氣體動力學基礎》，機械工業出版社，北京，1982。（H.W.Liepmann　and A.Roshko, Elements of Gas Dynamics,John Wiley　and Sons,New York,1957.）

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