气体的一维流动
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流体⼒学教案第11章⽓体的⼀维⾼速流动第⼗⼀章⽓体的⼀维⾼速流动前⾯各章研究了不可压缩流体的运动,即认为流体在流动中其密度不变。
所得到的不可压缩流体的运动规律,不仅适⽤于液体的运动,也适⽤于流速不⾼的⽓体运动。
当然,严格说任何流体都是可压缩的。
不过,在我们通常所研究的流体运动中,液体的密度变化⾮常⼩,往往可以忽略不计;⽽⽓体在低速运动时,其密度变化也不⼤,若忽略其变化,把密度作为常数来处理,可使问题⼤为简化,⽽⼜不致引起⼤的误差。
例如,通常在常温下空⽓流速低于70m/s时,其密度变化不⾼于2%,以⽪托管测量⽓体流速为例,忽略密度变化所引起的误差不超过1%。
当流速增⾼时,⽓体的密度变化就会增⼤,若再按不可压缩流体处理,所引起的误差就会增⼤。
所以,对于⽓体的⾼速流动,必须考虑其密度的变化,按可压缩流体处理。
故研究⽓体的⾼速流动,通常称为可压缩流体动⼒学,⼜叫⽓体动⼒学。
§11-1声速和马赫数⼀、流体的可压缩性与微弱扰动的传播在可压缩性介质中,压强扰动以波的形式传播,其传播速度的⼤⼩与介质的压缩性有关。
例如,声⾳即为⼀微弱的压强性不同,可压缩性⼩的传播速度⾼,可压缩性⼤的传播速度低。
由此可见,声速值反映了流体可压缩性的⼤⼩。
图11-1 微弱扰动的传播下⾯说明微弱扰动波的传播过程。
如图11-1所⽰,管中充满可压缩流体,左端装有⼀活塞,原处于静⽌状态。
当活塞突然以速度d V向右运动时,活塞附近的流体⾸先被压缩,其压强产⽣⼀微⼩增量d p,密度也有⼀微⼩增量d ;同时,这⼀层流体质点也以速度d V 向前运动。
这⼀层被压缩了的流体随之⼜压缩其前⽅邻近的⼀层流体,使其也产⽣⼀个微⼩增量d p 、d ρ和d V 。
这样⼀层⼀层向前传播,形成了⼀个已受扰动和未受扰动区域的分界⾯,这个分界⾯以速度a 向前运动。
在扰动分界⾯尚未到达的区域,即未受扰动区,⽓体质点的速度为V =0,其压强、密度和温度分别为p 、ρ和T ;在扰动分界⾯之后,即已受扰动的区域,⽓体的各物理参数分别为d V 、p p d +、ρρd +和T T d +。