宇宙气体动力学（研究行星、恒星等问题的学科）

简介

天体环境的尺度广延，具有许多极端典型的物理条件，给气体动力学提供了新的课题和领域，促进新概念和新方法的发展。目前，宇宙气体动力学已经广泛地用来研究行星、行星际、恒星、恒星际、星系、星系际以及宇宙学等大量问题。

用气体动力学方法预言太阳风的存在，得到了观测的证实。用高超声速流的方法可以分析太阳风在行星际天体的绕流现象。已经发现，地球弓形激波是无碰撞的，从而揭示了一类新型的间断特征（见日地间激波和磁流间断）。无碰撞激波在天体物理学中被广为应用，在地面实验室中，也是粒子加热的一种手段。研究太阳风与地磁场的相互作用，形成了地球磁层动力学（见地球磁层）。磁层结构理论不仅应用到其他行星，也应用来解释脉冲星磁层、头尾星系（见射电星系）以及宇宙γ射线爆发等天体现象。磁层亚暴现象不仅同太阳耀斑有相似性，也可能同更激烈的天体爆发活动的机制相似。研究太阳对流层时，需要讨论有高度压缩性的、有很大温度梯度的、并且有较差自转效应的流动特征。在太阳对流层中被激发的波动，是使太阳外层大气温度增高的主要能源。在太阳对流层中的磁场的位形变化，是太阳活动区产生和发展的根源。太阳的结构和动力学对于研究恒星有很大意义。

星际物质的运动特征也是宇宙气体动力学研究的重要课题。宇宙线、γ射线、 X射线等使星际气体变热。许多原子的碰撞和发射电磁波过程使星际气体冷却。根据热力学参数不同，星际间有冷的密集暗星云，也有热的气体（见发射星云）。应用流体力学的方法，研究自引力体系的稳定性，促进了恒星形成理论的发展。

随着观测手段的发展，人们对星系的研究不断深入，提出了许多新的课题。通过对自引力气盘的流体力学平衡和稳定性的分析，发展了解释星系螺旋结构的密度波理论。用气体动力学方法还可以解释气云坍缩成星系的过程。类星体双源结构、宇宙早期演化中的碎裂过程、星系或星系团的形成（见星系的起源、星系的演化）等也都是宇宙气体动力学的重要研究课题。

学科分支

气体动力学开始于对弹丸运动、蒸汽涡轮等的研究，随着航空和航天工业的蓬勃发展，出现了不少新的分支。

①高温气体动力学

高温气体动力学。研究高温气体的流动规律和伴随的各种物理化学变化、能量传递和转化规律。例如在喷气发动机的燃烧室、再入大气层航天器表面的激波层和高超声速尾迹中，气体温度极高，气体比热不再是常数，完全气体的状态方程(p＝ρRT，p、ρ、T为气体的压力、密度、温度，R为气体常量）不再适用。此外，气体分子内部各种能级的激发（平动、转动和振动等）处于不平衡状态，出现非平衡流动。在极高温度下，气流中还伴有离解和电离过程以及物面烧蚀现象。因此，高温气体动力学的研究，要把气体动力学与热力学、统计物理、分子物理、化学动力学和电磁学等结合起来，并要用到物理、化学和气体动力学等实验技术，光谱、激光、电子、力学等测量方法，激波管、电弧加热器等试验设备。高温气体动力学的研究对航空航天工业、激光器、等离子体技术等方面的发展，有重要意义。

②稀薄气体动力学

稀薄气体动力学。研究克努曾数Kn（见流体力学相似准数）并非远小于1的稀薄气体的运动规律。对于在高空大气层飞行的航天器，Kn不是小量，气体分子离散结构显示其影响，经典的连续介质模型不再适用。在地面上研究5微米以下气溶胶粒子的运动，也须考虑稀薄气体效应。研究稀薄气体动力学，要用到玻耳兹曼气体分子运动方程和气体分子与固体表面相互作用的理论，以及低密度风洞、激波风洞、分子束装置等实验设备。稀薄气体动力学的研究对人造地球卫星、航天飞机及某些非航天技术的发展，起着重要作用。

③宇宙气体动力学

宇宙气体动力学。应用气体动力学的方法研究宇宙中物质的形态和运动规律。宇宙中的物质形态以等离子体为主，还有稀薄气体，行星内部有液态核，它们都是流体或磁流体。所以应用流体力学和磁流体力学的理论和方法能描述很多宇观尺度的天体过程。宇宙气体动力学的研究领域已从行星环境扩展到太阳内部，从气体星云到星系，以至到局部宇宙的演化规律，并取得一批成果，其中包括太阳风、地球磁层、气体星云的收缩和碎裂、无碰撞激波、恒星大气的反常加热、宇宙中磁场的起源和演变、宇宙中的湍流特性、星系旋涡结构的密度波理论等。现在，大量天体物理的问题都采用气体动力学的概念和方法进行研究，而讨论具体的物理化学过程又反过来扩展了气体动力学的领域。

参考书目

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

图书

《气体动力学》

气体动力学

本书主要介绍可压缩气体动力学的基本理论及在航空发动机上的应用。全书共分八章：第一章介绍气体动力学的基本知识、基本概念和研究方法；第二章介绍流体运动的基本方程；第三章介绍一维定常流的基本方程；第四章介绍滞止参数与气动数；第五章介绍膨胀波和激波；第六章介绍一维定常管流；第七章介绍黏性流动基础；第八章介绍理想流体多维流动动力学基础。

本书读者对象主要为飞行器与动力工程专业的大专生、本科生，也可供从事航空动力工程的工程技术人员参考。

图书目录

第一章

基本知识

1.1　连续介质的概念

1.1.1　连续介质的假设

1.1.2　连续介质中一点处的密度和速度

1.2　气体的基本属性

1.2.1　气体的压缩性

1.2.2　气体的黏性

1.2.3　气体的导热性

1.3　研究流体运动的方法及有关的概念

1.3.1　研究流体运动的方法

1.3.2　流体运动的分类

1.3.3　流场的描述

1.3.4　运动的转换

1.3.5　体系和控制体

1.3.6　国际标准大气 　　 2.1.1　体系、控制体

2.1.2　雷诺输运方程

2.2　连续方程

2.1.1　积分形式的连续方程

2.1.2　微分形式的连续方程

思考题

习题

第二章　流体运动的基本方程

2.1　体系、控制体、雷诺输运方程

2.3　动量方程和动量矩方程

2.3.1　积分形式的动量方程

2.3.2　动量矩方程

2.3.3　微分形式的动量方程

2.4　能量方程

2.4.1　积分形式的能量方程

2.4.2　微分形式的能量方程

思考题

第三章　一维定常流的基本方程

3.1　连续方程

3.2　动量方程和动量矩方程

3.2.1　积分形式的动量方程

3.2.2　动量矩方程

3.2.3　微分形式的动量方程

3.3 能量方程

3.3.1　能量方程的推导

3.3.2　能量方程的应用

3.4　伯努利方程

3.4.1　伯努利方程的推导

3.4.2　伯努利方程的应用

思考题

习题

第四章　滞止参数与气动函数

4.1　声速和马赫数

4.1.1　声速

4.1.2　马赫数（Ma）

4.2　滞止参数和临界参数

4.2.1　滞止状态

4.2.2　滞止参数

4.2.3　临界参数

4.3　极限速度与速度系数

4.3.1　极限速度

4.3.2　速度系数

4.4　气体动力学函数及其应用

4.4.1　气流的静参数与总参数之比的气动函数

4.4.2　与流量有关的气动函数

4.4.3　与冲力有关的气动函数

思考题

习题

第五章　膨胀波和激波

5.1 弱扰动在气流中的传播

5.1.1　弱扰动在静止气体中的传播

……

第六章　一维定常管流

第七章　黏性流动基础

第八章　理想流体多维流动动力学基础

附录1　单位制与单位换算表

附录2　第六章有关公式的推导

附录3　国际标准大气数值表

附录4　一维等熵气体动力学函数表（γ=1.4）

附录5　一维等熵气体动力学函数表（γ=1.33）

附录6　一维等熵气体动力学函数表（γ=1.25）

附录7　超声速气流绕外凸角流动的数值表（γ=1.4）

附录8　斜激波前后气流参数表（完全气体γ=1.4，δ取为整数）

附录9　正激波前后气流参数表（完全气体γ=1.4）

附录10　摩擦管流及换热管流的数值表（γ=1.4）

参考文献