气体流动的物理规律
流体动力学中的高速气体流动
流体动力学中的高速气体流动1. 引言流体动力学是研究流体的力学性质和运动规律的科学领域。
在工程领域中，流体动力学被广泛应用于高速气体流动的研究。
高速气体流动是指在常温、常压下，气体在较高速度下的流动现象。
高速气体流动具有复杂的物理特性和运动规律，对于工程设计和研究具有重要意义。
本文将介绍在流体动力学中研究高速气体流动的基本原理、数值模拟方法和实验技术等内容。
2. 高速气体流动的基本原理2.1 高速气体流动的特点在高速气体流动中，气体的运动速度远超过声速，压力、温度和密度等物理量的分布变得非常复杂。
高速气体流动具有以下特点：•高速气体流动中，气体的压力和温度分布受到湍流和激波等非定常现象的影响，流动场呈现出不稳定性和不可逆性；•高速气体流动会引起气体的压缩和加热，从而导致压力和温度的非均匀性；•高速气体流动中，气体的速度梯度大，会导致产生剧烈的湍流和分离现象。
2.2 高速气体流动的数学模型研究高速气体流动时，可以采用Navier-Stokes方程组作为基本数学模型。
Navier-Stokes方程组描述了气体在空间中的流动性质和动力学规律。
对于高速气体流动，需要考虑以下一些额外的物理过程：•气体的物理性质随着温度的变化而变化，需要采用物性关系来描述气体的状态方程；•高速气体流动中，湍流的发生和发展对于流动场的影响非常显著，需要考虑湍流模型的引入；•高速气体流动会产生激波和压缩波等非定常现象，需要考虑定常化条件或采用非定常模拟方法。
2.3 高速气体流动的基本参数在研究高速气体流动时，需要考虑一些基本的参数来描述流动的特性和性质：•马赫数（Mach number）：表示气体流速与声速之比，是衡量流动速度的重要参数；•静温（static temperature）：指气体在流动前、流动中的温度，是影响气体性质和压力分布的重要因素；•静压（static pressure）：表示气体在流动前、流动中的压力，是衡量气体压力分布的重要参数；•总压（stagnation pressure）：表示气体在流动中的压力，即气体受到压缩和加热后的压力。
气体的输运现象知识分享
我们在前面所讨论的都是气体在平衡状态下的 性质.实际上,系统各部分的物理性质，如流速、温 度或密度不均匀时，系统处于非平衡态。
处于非平衡态系统, 由于气体分子不断地相互 碰撞和相互掺和，分子之间将经常交换质量、动量 和能量，分子速度的大小和方向也不断地改变，最 后气体内各部分的物理性质将趋向均匀，气体状态 趋于平衡. 这种现象叫气体的输运现象。
则不同流层之间有黏性力。
dy
实验证明：不同流层之间（CD面处）黏滞力与
流速梯度成正比，与CD面积成正比，
F du S
dy
比例系数称为动力黏度（或黏度），±表示黏性
力成对出现，满足牛顿第三定律。
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C
M
测定 实验
B
A，B 为两筒，C 为悬丝，
M为镜面；A保持恒定转速，B会
跟着转一定角度，大小可通过M A 来测定，从而知道黏性力大小，
流速梯度及面积可测定，故黏度
可测。
测定 实验
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二、热传导现象
如果气体内各部分的温度不同，从温度较高
处向温度较低处，将有热量的传递，这一现象就 叫热传导现象。
S T1 T2
T1
T2
x
x
设沿 x 方向温度梯度最大量与该 处的温度梯度成正比，与该面的面积成正比，即
介绍三种输运现象的基本规律：
黏滞现象 热传导现象 扩散现象
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一、 黏滞现象
流动中的气体 ,如果各气层的流速不相等,那么 相邻的两个气层之间的接触面上,形成一对阻碍两气 层相对运动的等值而反向的摩擦力,这种摩擦力叫黏 性力。气体的这种性质,叫黏性。
气体力学原理
1 气体力学原理目前大部分冶金炉（除电炉外）热能的主要来源是靠燃烧燃料来供给的。
燃料燃烧需要供入炉内大量空气，并在炉内产生大量的炉气。
高温的炉气是传热的介质，当它将大部分热能传给被加热的物料以后就从炉内排出。
气体在炉内的流动，根据流动产生的原因不同，可分为两种：一种叫自由流动，一种叫强制流动。
自由流动是由于温度不同所引起各部分气体密度差而产生的流动；强制流动是由于外界的机械作用而引起的气体流动，如鼓风机鼓风产生的压力差。
1.1 气体的主要物理性质和气体平衡方程式1、气体的主要物理性能液体和气体，由于分子间的空隙比固体大，它们都不能保持一定的形状，因而具有固体所没有的一种性质——流动性。
液体和气体统称为流体。
由于液体和气体具有流动性，因而它们能将自身重力和所受的外力按原来的大小向各个方向传递，这是气体与液体的共同性。
气体和液体又各自具有不同的特性：⑴液体是不可压缩性流体（或称非弹性流体）；气体是可压缩性流体（或称弹性流体）。
在研究气体运动时，应注意气体的体积和密度随温度和压力的变化，此为气体区别于液体的一个显著特性。
⑵液体在流动过程中基本不受周围大气的影响；气体在流动过程中受周围大气的影响。
气体的主要物理性能如下：⑴ 气体的温度温标是指衡量温度高低的标尺，它规定了温度的起点（零点）和测量温度的单位。
目前国际上常用的温标有摄氏温标和绝对温标两种：a 、摄氏温标：在标准大气压下（760mmHg ），把纯水的冰点定为零度，沸点定为100度，在冰点与沸点之间等分为100个分格，每一格的刻度就是摄氏温度1度，用符号t 表示，其单位符号为℃。
b 、绝对温标：即热力学温标，又名开尔文温标，用符号T 表示，其单位符号为K 。
这种温标是以气体分子热运动平均动能超于零的温度为起点，定为0 K ，并以水的三相点温度为基本定点，定为273.16K ，于是1 K 就是水的三相点热力学温度16.2731。
绝对温标与摄氏温标的关系：T ＝273.15+ t K气体在运动过程中有温度变化时，气体的平均温度常取为气体的始端温度t 1和终端温度t 2的算术平均值，即：⑵气体的压力a、定义：由于气体自身的重力作用和气体内部的分子运动作用，气体内部都具有一定的对外作用力，这个力称为气体的压力。
流体的基本规律
空速管原理
总压管 + 静压管
山鹰高教机空速管特写
Mig-21空速管特写
高速流体流动的基本规律
• 高速飞行中，空气密度的变化很大， 必须考虑空气压缩性的影响。
不论是低速或高速飞行，空气流过飞机各处的 速度和压力发生改变
不同流动速度时，机翼前缘驻点空气密度增加的百分比
气流速度(km/h) 空气密度增加的 百分比(Δρ/ρ) 200 1.3% 400 5.3% 600 12.2% 800 22.3% 1000 45.8% 1200 56.5%
§2-2 流体的基本规律
• 相对运动原理 • 流体和连续性介质假设
• 流动流体的物理量和参数
相对运动原理
大气静止--飞机运动
等价于
飞机静止--空气运动
限定条件：
水平等速直线运动
流体和连续介质假设
将空气看作连续介质
地面
气体分子自由行程约6*10-8 m 着海拔高度 40km高度以下 的增加，空气 可以认为稠密大气、连续 密度变小，空 气分子的自由 120~150km 行程越来越大。 气体分子自由行程与飞行器相当 200km以上 气体分子自由行程有几公里
音波在流体中传播速度。
水中：1440 m/s； 海平面标准大气状态下空气中：340 m/s； 12km高空标准大气状态下空气中：295 m/s。
流体的可压缩性越大，音速越小； 而流体的可压缩性越小，音速越大； 音速a可以作为压缩性的指标。
音速（声速）
理论上推知，在绝热过程中，大气中的音速为
a 20 T
流体运动现象的观察和描述
流动流体的物理量和参数
流动雷诺数Re∞ ＝ ρ∞v∞l/μ∞
式中，ρ∞ ，μ∞ 分别是飞行高度上大气的密度和动力粘度系数；l是飞机的一个特征尺寸，通常选取飞机机身的长度作为该特征尺寸。Re∞ 是惯性力与粘性力之比，是一个无量纲量，它揭示的正是雷诺数Re∞ 代表的物理意义：Re∞ 越小，空气粘性的作用越大；Re∞ 越大，空气粘性的作用越小。对于理想流体或无粘流体，因为μ→0，显然，当考虑理想流体以v∞ 流过飞机时，则流动雷诺数Re∞＝ρ∞v∞l/μ∞必趋于无限大。
流动流体的物理量和参数
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影响流体流动规律最重要的物理量，有流体的密度ρ，温度T，压强p，以及流体的可压缩性、声速c和粘度μ等
气体的状态参数
气体的ρ，T和p三个参数称做气体的状态参数。通过实验，它们之间有下列关系存在，即p=ρRT（R称为气体常数）。
流体的可压缩性
流体的可压缩性是当压力或温度变化时流体改变自己体积或密度的性质（也称弹性）。液体对这种变化的反应很小，因此一般认为液体是不可压缩的，即液体是ρ=常数的流体。气体对这种变化的反应却很大，所以一般来讲气体是可压缩的流体。
声速
声速（在航空界也俗称音速）c是指声波在流体中传播的速度，单位是m/s。流体的可压缩性越大，声速越小；流体的可压缩性越小，声速越大。显然，在不可压缩流体中，声速将趋于无限大。
流体的粘性
同一种流体相临流动层间产生滑动时产生的摩擦叫内摩擦，也叫做流体的粘性。
理想流体
不考虑粘性作用的流体，称为理想流体或无粘流体，即μ值趋于零的流体。对于像空气μ值这么小的流体，当横向速度 又不是很大的时候，特别是流动雷诺数比较大的时候，粘性的作用也就不会十分明显，此时可以采用理想流体模型来作理论分
高中 高考物理 气体和热力学定律
续表 玻意耳定律 查理定律 盖—吕萨克定律
适用 实际气体在压强不太大(相对于 1 标准气压)、 温度不太低(相 条件 对于常温)的情况遵守三个实验定律
4．理想气体的状态方程 (1)理想气体 ①宏观上讲， 理想气体是指在任何条件下始终遵守气体实验定律 的气体。实际气体在压强 不太大、温度 不太低 的条件下，可视为理 想气体。
(3)压强(p) ①定义：作用在器壁单位面积上的压力叫做气体压强。 ②产生原因： 由于大量气体分子无规则的运动而频繁碰撞 器壁，形成对器壁各处均匀、持续的压力。 ③决定气体压强大小的因素 宏观：决定于气体的 温度 和 体积 。 微观：决定于分子的 平均动能 和分子的 密集程度 (单位 体积内的分子数)。
解析：开始时由于活塞处于静止，由平衡条件可得 mg p0S＋mg＝p1S，则 p1＝p0＋ S 当气缸刚提离地面时气缸处于静止，气缸与地面间无 作用力，因此由平衡条件可得 p2S＋Mg＝p0S Mg 则 p2＝p0－ S 。 mg 答案：p0＋ S Mg p0－ S
2．[考查液柱封闭的气体压强]若已知大气压强 为 p0，在图中各装置均处于静止状态，图中液体密 度均为 ρ，求被封闭气体的压强。
解析：在图甲中，以高为 h 的液柱 为研究对象，由二力平衡知 p 气 S＝－ρghS＋p0S 所以 p 气＝p0－ρgh
在图乙中，以 B 液面为研究对象，由平衡方程 F 上＝F 下 有：p 气 S＋ρghS＝p0S p 气＝p0－ρgh 在图丙中，以 B 液面为研究对象，有 3 p 气＋ρghsin 60° ＝pB＝p0，所以 p 气＝p0－ ρgh 2 在图丁中，以液面 A 为研究对象，由二力平衡得 p 气 S＝(p0＋ρgh1)S，所以 p 气＝p0＋ρgh1。 答案：甲：p0－ρgh 乙：p0－ρgh 3 丙：p0－ ρgh 2 丁：p0＋ρgh1
气体流动知识点总结
气体流动知识点总结一、气体流动的基本特性1.1 气体的基本特性气体是一种物态，具有一些特殊的基本性质，如可压缩性、弹性、可扩散性等。
这些特性决定了气体在流动过程中表现出的独特行为。
在理想气体状态下，气体具有简单的状态方程，即PV=RT，其中P为压力，V为体积，T为温度，R为气体常数。
这个方程描述了理想气体的状态，但在实际工程中，气体流动往往还受到多种因素的影响，因此需要更复杂的流动方程来描述。
1.2 气体的流动特性气体流动具有一些与其特性相关的基本规律。
首先是密度的不连续性。
在压缩气体流动的过程中，气体密度会发生突变，导致流场中密度的不连续性。
此外，由于气体分子的热运动，气体流动具有一定的湍流性质，因此在实际的气体流动过程中，需要考虑湍流的影响。
1.3 气体流动的基本方程描述气体流动的基本方程为流体力学方程，即连续性方程、动量方程和能量方程。
这些方程描述了气体流动的守恒性质，分别描述了质量、动量和能量在流动过程中的传递和转化关系。
了解这些方程对于分析和控制气体流动具有重要意义。
二、气体流动的流动方程2.1 连续性方程连续性方程描述了流场中流体的质量守恒关系，它可以用来描述气体流动中流体的流动速度和密度的变化关系。
连续性方程的数学表达形式为：∂ρ/∂t + ∇·(ρu) = 0其中，ρ为流体密度，t为时间，u为流速矢量。
这个方程表明了流体密度的变化与流速的关系，对于描述气体流动的密度分布和流速分布具有重要意义。
2.2 动量方程动量方程描述了流场中流体的动量守恒关系，它可以用来描述气体流动中流体的受力和流动的加速度关系。
动量方程的数学表达形式为：∂(ρu)/∂t + ∇·(ρuu) = -∇p + ∇·τ + ρg其中，p为压力，τ为应力张量，g为重力加速度。
这个方程描述了流体在流动过程中受到的压力、应力和重力等力的作用，对于描述气体流动的力学特性具有重要意义。
2.3 能量方程能量方程描述了流场中流体的能量守恒关系，它可以用来描述气体流动中能量的传递和转化关系。
气体的物理性质
气体的物理性质气体是一种物态，具有独特的物理性质。
本文将介绍气体的物理性质，包括气体的压力、体积、温度以及与理想气体状态方程的关系等。
一、气体的压力气体的压力是指气体分子对容器壁或其他物体施加的力。
根据动理论，气体分子运动快速并且无规律，当气体分子与容器壁发生碰撞时，会产生一定的力。
这些力的大小与气体分子的数量、运动速度以及与容器壁的碰撞频率有关，可以用下式表示：压力 = 力 / 面积式中，压力的单位通常以帕斯卡（Pa）表示。
二、气体的体积气体在容器中占据一定的空间，这个空间即为气体的体积。
根据气体分子的运动规律，气体的体积与分子的运动情况有关。
1. 查理定律查理定律指出，在恒定的温度和压力下，气体的体积与气体所含分子的数量成正比。
即：V ∝ n式中，V表示气体的体积，n表示气体所含分子的数量。
2. 法尔查尔定律法尔查尔定律指出，在恒定的温度条件下，相同体积的气体中，不同种类的气体所含分子的数量与它们的摩尔数成正比。
即：V ∝ n式中，V表示气体的体积，n表示气体所含分子的数量。
三、气体的温度温度是表示物体热量状态的物理量，也是气体的一个重要物理性质。
温度的单位通常以摄氏度（℃）或开尔文（K）表示。
气体温度的测量可借助热力学温标。
根据研究发现，气体的温度与其分子的平均动能成正比。
四、理想气体状态方程理想气体状态方程描述了气体的物理性质，它表明了气体的压力、体积和温度之间的关系。
理想气体状态方程为：PV = nRT式中，P表示气体的压力，V表示气体的体积，n表示气体所含分子的摩尔数，R为理想气体常数，T表示气体的温度。
通过理想气体状态方程，我们可以推导出气体的其他性质，例如气体的密度、分子平均自由程等。
总结以上便是关于气体的物理性质的介绍。
气体的压力、体积、温度以及与理想气体状态方程的关系等，对于我们理解气体的行为和性质有着重要的意义。
深入了解和研究气体的物理性质，对于实际应用和科学研究都具有重要的价值。
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Introduction II
By some means of modifications, we can use these ideas or theories for the gas flow.
Due to the obvious influence of compressibility of gas flow in the shale, the classical Darcy’s Law needs to be modified to adapt to the shale gas’s flow. Through some research, we’ve discovered that permeability coefficient k becomes bigger as we change liquid flow to gas flow. Then Klinkenberg defines that phenomenon by using the Knudsen number Kn dividing the gas flow into several kinds. Also, gas flow is associated with the flow equation. And as we all know, Darcy’s Law along with the equation of conservation of mass are equivalent to the underground fluid flow equation, one of the basic equations of hydrogeology. As for gas flow equations, we can use Knudsen number to divide the gas flow into several kinds, then in different kinds of flow we use different kinds of flow equations to describe it.
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Which part of production does the gas flow play an important role?
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Which part of production does the gas flow play an important role?
It is analogous to Fourier’s law in the field of heat conduction, Ohm’s law in the field of electrical networks, or Fick’s law in diffusion theory.
Darcy’s law is a phenomenologically derived constitutive equation that describes the flow of a fluid through a porous medium. The law was formulated by Henry Darcy based on the results of experiments on the flow of water through beds of sand.
One application of Darcy’s law is to water flow through an aquifer; Darcy’s law along with the equation of conservation of mass are equivalent to the Underground fluid flow equation, one of the basic relationships of hydrogeology. Darcy’s law is also used to describe oil, water, and gas flows through petroleum reservoirs.
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10th Juid flow (Gas is just one kind of fluid.) I
Darcy’s law II
It also forms the scientific basis of fluid permeability used in the earth sciences, particularly in hydrogeology ( hydraulic conductivity ).
First of all, we consider the classical theory of the fluid flow: Darcy’s Law. It’s the primal law of the fluid which is initially proved by the experiment done by H.P.G Darcy. It clearly illustrates seepage velocity v is in direct proportion to hydraulic gradient I. However, it just generally takes hydraulic conductivity K to manifest the different permeability of different materials. To get to know and control seepage fluid in detail, we need to find out what has influenced the K. There is a relation between permeability k and hydraulic conductivity K, we will explain it later, and for further research, we use the permeability k instead of hydraulic conductivity K which is more general.
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Introduction I
Research of gas flow in the shale is one of the most important part that leads us to a totally new epoch of shale revolution. Regarding shale gas as one kind of the various fluid, we use fluid mechanics methods to explore the world of shale gas, to reveal the mask of this mysterious new energy.
In the following, we’ll talk about all these things in detail.
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This law is very important since it solves a lot of things concerning the fluid flow, and it is very similar to other laws in physics ( Considering the philosophy behind the sciences ).
Physics of Gas Flow
A Group C (Created by L TEX)
Institute of Rock and Soil Mechanics Institute of Geology and Geophysics Lanzhou Centre for Oil and Gas Resources
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