ガス動力学
気体の運動の研究

気体運動学は流体力学の一分野に属する科学で、気体の運動とそれが物理系に及ぼす影響について研究する。流体力学と熱力学の原理に基づき、気体力学は遷音速および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、気体力学の研究は、物体の周囲または内部を音速に匹敵するかそれを超える速度で流れ、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、ノズルやバルブのチョーク流、ジェットの周囲の衝撃波、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、気体の種類が空気であり、研究対象が飛行である場合、空気力学 と同義です。航空機や宇宙船、そしてそれぞれの推進システムの設計に深く関連しています。

歴史

気体力学の進歩は、遷音速飛行および超音速飛行の発展と時を同じくして進みました。航空機の飛行速度が上昇するにつれて、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ました。この現象は後に風洞実験において、航空機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ことが確認されました。第二次世界大戦中および戦後、この挙動を記述する上で大きな進歩が遂げられ、圧縮性流れと高速流れに関する新たな知見が気体力学の理論となりました。

気体はブラウン運動を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、密度といった気体のマクロ的な性質は運動する粒子の衝突の結果であることを実証する多くの定量的研究が進むにつれ、[3]気体の運動論の研究はますます気体力学の不可欠な要素となっていった。現代の気体力学に関する書籍や授業は、しばしば運動論の入門から始まる。[2] [4]コンピュータシミュレーションにおける分子モデリング の登場により、運動論は今日の気体力学研究においてさらに重要なテーマとなった。[5] [6]

入門用語

気体力学とは、衝突した2つの気体分子間の距離の平均値について、分子が含まれる構造を無視することなく概観する学問です。この分野では、気体の運動論の考え方に関する広範な知識と実践的応用が求められ、気体が表面とどのように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]

流体の定義

流体とは、大きな応力を受けても恒久的に変化しない物質のことです。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、圧力が増加しても液体の密度はわずかに変化します。流体を気体として見ると、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密度が大きく変化します。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、圧力の上昇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

重要なポイント。

実在気体は、式PV  =  zn 0 RTにおける圧縮率（z）によって特徴付けられます。圧力Pを体積Vの関数として設定すると（この級数は設定温度Tによって決定されます） 、PとVは、温度が非常に高くなるにつれて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]

粘度

気体の粘性は、気体分子が層から層へと通過する際に、分子の移動によって生じます。気体が互いに通過する際、運動量の形で表される速度は、より速く移動する分子の速度を加速させます。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際、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の速度を減速させます。この分子間の摩擦抵抗によって両分子の速度が等しくなるまで、この相互作用は続きます。[4]

熱伝導率

気体の熱伝導率は、気体の粘性率を分析することで求めることができます。ただし、分子は静止しており、気体の温度のみが変化します。熱伝導率は、特定の時間内に特定の面積を横切って輸送される熱量と定義されます。熱伝導率は常に温度勾配の方向と逆方向に流れます。[4]

拡散

気体の拡散は、均一な濃度の気体が静止している状態で発生します。拡散とは、2つの気体間の濃度勾配が弱いために、2つの気体間の濃度が変化することです。拡散とは、一定時間にわたる質量の移動です。[4]

衝撃波

衝撃波は超音速流れ場における圧縮面として記述することができ、この面を横切る流れ過程は流体特性の急激な変化をもたらす。衝撃波の厚さは、流れ場における気体分子の平均自由行程に匹敵する。 [1]言い換えれば、衝撃波は温度、圧力、速度の大きな勾配が生じ、運動量とエネルギーの輸送現象が重要な薄い領域である。通常の衝撃波は、流れの方向に対して垂直な圧縮面である。しかし、様々な物理的状況において、流れに対して斜めの圧縮波が発生する。このような波は斜め衝撃波と呼ばれる。実際、外部流れにおいて自然に発生する衝撃波はすべて斜めである。[9]

定常衝撃波

定常の垂直衝撃波は、流れの方向と垂直な方向に進むものとして分類されます。例えば、ピストンが管内を一定速度で移動すると、管内を伝わる音波が発生します。ピストンが動き続けると、音波は集まり始め、管内のガスを圧縮します。垂直衝撃波に関する様々な計算は、衝撃波が含まれる管のサイズによって異なる場合があります。収束・発散ノズルや面積が変化する管などの異常は、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]

移動する通常の衝撃波

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においてより一般的に存在します。例えば、鈍い物体が大気圏に突入すると、静止した気体を媒介する衝撃波に遭遇します。移動する通常の衝撃波に伴う根本的な問題は、静止した気体を通過する通常の衝撃波のモーメントです。移動する衝撃波の観点から見ると、それは移動する衝撃波または静止した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では、物体が衝撃波の反対方向に移動するため、移動する衝撃波が発生しますが、物体が衝撃波に乗って宇宙空間に打ち上げられる場合、それは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や比較、速度や衝撃比は、広範な公式を用いて計算できます。[11]

摩擦と圧縮性流れ

摩擦力は、ダクト内の圧縮性流れの流動特性を決定する上で重要な役割を果たします。計算において、摩擦は包含的または排他的として扱われます。摩擦が包含的である場合、圧縮性流れの解析は、摩擦が包含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、特定の制約が課されます。圧縮性流れに摩擦が考慮される場合、摩擦は解析結果の適用範囲を制限します。前述のように、ダクトの形状、例えばサイズやノズルの違いは、摩擦と圧縮性流れの計算の違いに影響を与えます。[12]

参照

重要な概念

関心の流れ

実験技術

視覚化方法

計算技術

空気力学

参考文献

特定の
  1. ^ ab Rathakrishnan, E. (2006).ガスダイナミクス. Prentice Hall of India Pvt. Ltd. ISBN 81-203-0952-9。
  2. ^ ab Vincenti, Walter G.; Kruger, Charles H. Jr. (2002) [1965]. Introduction to Physical Gas Dynamics . Krieger publishing company. ISBN 0-88275-309-6。
  3. ^ アインシュタイン、A. (1905)、「分子動力学理論を理解するための理論」、Annalen der Physik、17 (8): 549–560、Bibcode :1905AnP...322..549E、土井: 10.1002/andp.19053220806
  4. ^ abcde Turrell, George (1997).気体力学：理論と応用. J. Wiley.
  5. ^ Alder, BJ; TE Wainwright (1959). 「分子動力学の研究. I. 一般的な方法」. J. Chem. Phys . 31 (2): 459. Bibcode :1959JChPh..31..459A. doi :10.1063/1.1730376. S2CID  44487491.
  6. ^ A. Rahman (1964). 「液体アルゴン中の原子の運動における相関関係」. Phys Rev. 136 ( 2A): A405-A411. Bibcode :1964PhRv..136..405R. doi :10.1103/PhysRev.136.A405.
  7. ^ セルチニャーニ、カルロ. 序文. 希薄気体力学：基本概念から実際の計算まで. ケンブリッジ大学出版局, 2000. Xiii. 印刷.
  8. ^ ジョン、ジェームズ・エドワード・アルバート、テオ・G・キース著『ガスダイナミクス』ハーロウ：プレンティス・ホール、2006年、1-2ページ。印刷
  9. ^ Rathakrishnan、E. (2019)。応用ガス力学、第 2 版。ワイリー。ISBN 978-1-119-50039-1。
  10. ^ John, James Edward Albert, and Theo G. Keith. Gas Dynamics. 第3版. Harlow: Prentice Hall, 2006. 107–149. 印刷.
  11. ^ John, James Edward Albert., Theo G. Keith. Gas Dynamics. 第3版. Harlow: Prentice Hall, 2006. 157–184. 印刷.
  12. ^ John, James Edward Albert., Theo G. Keith. Gas Dynamics. 第3版. Harlow: Prentice Hall, 2006. 283–336. 印刷.
一般的な
  • ジョージア工科大学の気体力学に関するウェブページ
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