Введение в гидрогазодинамику и теорию ударных волн для физиков, учебное пособие, Райзер Ю.П., 2011

Введение в гидрогазодинамику и теорию ударных волн для физиков, учебное пособие, Райзер Ю.П., 2011.
В основе книги лежит курс лекций, читаемый автором в течение многих лет в Московском Физико-Техническом Институте, но сильно расширенный как по степени подробности рассмотрения всех вопросов, так и по охвату тематики.
Книга ласт необходимый для физиков уровень понимания ключевых явлений. Тщательный отбор рассматриваемых тем учитывает сложившуюся структуру курсов обшей физики, восполняя реальные пробелы в изучении принципиальных основ и важнейших приложений. Для студентов и преподавателей физических и технических специальностей.

СФЕРИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ.
Сферические волны представляют интерес не только для акустики, где важно понимать, как распространяется в пространстве звук от сосредоточенного источника. Свойства и закономерности сферических волн очень важны для взрывного дела. Любая взрывная волна по мере распространения от области взрыва затухает и постепенно превращается в звуковую, описываемую линеаризованными уравнениями газовой динамики, тоже одномерными, но для сферической геометрии.
НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ОДНОМЕРНЫЕ ПЛОСКИЕ АДИАБАТИЧЕСКИЕ ТЕЧЕНИЯ ГАЗА.
Это — простейший тип нестационарных нелинейных течений, для которых в некоторых исключительных случаях были получены замечательной красоты точные аналитические решения. Они имеют большое значение для газодинамики по нескольким причинам. Точное решение идеализированной задачи часто может служить моделью для приближенного количественного описания сложной реальной ситуации. Аналитические решения всегда ценны тем, что наглядно демонстрируют свойства и закономерности соответствующих процессов. Они могут служить эталонами для проверки приближенных и численных методов решения сложных задач.
Экспериментальной моделью для реализации нестационарных одномерных плоских течений газа чаше всего служит процесс течения в трубе с поршнем. К этой модели мы уже обращались выше при рассмотрении распространения малых возмущений н газе, когда уравнения можно линеаризовать. Можно сказать, что газодинамика нелинейных течений изначально разрабатываюсь именно на модели трубы с поршнем и, разумеется, для идеального газа с постоянной теплоемкостью, обладающего простейшим уравнением состояния.
Оглавление
Предисловие
Глава 1 ВВОДНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ
Часть 1 ТЕЧЕНИЯ СЖИМАЕМОГО НЕВЯЗКОГО ГАЗА И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ
Глава 2 ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ ГАЗОВОЙ ДИНАМИКИ
2.1. Уравнение непрерывности
2.2. Уравнение сохранения импульса
2.3. Субстанциональная производная и уравнение Эйлера
2.4. Уравнение энергии
2.5. Уравнение адиабатичности
2.6. Начальные и граничные условия
2.7. Идеальный газ с постоянной теплоемкостью
2.8. Линии тока и уравнения Бернулли для стационарного течения жидкости
Глава 3 ЗВУК
3.1. Волновое уравнение
3.2. Линейные бегущие волны
3.3. Акустика
3.4. Энергия звука
3.5. Сферические волны
Глава 4 НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ОДНОМЕРНЫЕ ПЛОСКИЕ АДИАБАТИЧЕСКИЕ ТЕЧЕНИЯ ГАЗА
4.1. Характеристики
4.2. Изоэнтропическое течение. Инварианты Римана
4.3. Нелинейная волна, бегущая в одну сторону
4.4. Пример простой волны. «Перехлест»
4.5. Центрированная волна разрежения
4.6. Нестационарное истечение газа в вакуум
4.6 1. Сопоставление со стационарных истечением
4.7. Центрированная волка разрежения как пример автомодельных течений
4.8. Невозможность существования центрированной волны сжатия
Глава 5 УДАРНАЯ ВОЛНА
5.1. Распространение скачка сжатия в трубе с поршнем
5.2. Общие соотношения между газодинамическими величинами по обе стороны разрыва
5.3. Косые скачки уплотнения
5.4. Ударная адиабата
5.5. Ударная адиабата и скорости для ударной волны в идеальном газе с постоянной теплоемкостью
5.6. Закономерности ударной волны
5.6.1. Энтропия и толщина скачка уплотнения
5.6.2. Геометрическая интерпретация соотношении на ударной волне
5.6.3. Условия существования скачка уплотнения
5.7. О невозможности существования скачка разрежения в веществе с нормальными свойствами
5.7.1. Аномальные случаи
5.8. Термодинамические свойства воздуха при высоких температурах и реальные параметры сильной ударной волны
5.9. Распад произвольного разрыва
5.9.1. Примеры жизненных ситуаций с произвольными разрывами
5.9.2. В одну сторону может бежать только одна волна
5.9.3. Варианты распада
Глава 6 ДЕТОНАЦИОННЛЯ ВОЛНА
6.1. Два механизма распространения пламени
6.2. Детонационная адиабата
6.3. Качественная структура детонационной волны
6.4. Скорость детонации
6.5. Почему реализуется режим с минимальной скоростью детонации
6.5.1 Сверхзвуковые режимы со скоростью, превышающей минимальную
6.6. Пределы детонации
6.7. Световая детонация
6.7.1. Результаты и трактовка эксперимента
6.7.2. Светодетонационная адиабата и параметры плазмы за волной
6.7.3. Сверхсветодетонационный режим
6.8. Волна медленного горения как распространение газодинамическою разрыва
Глава 7 УДАРНАЯ ТРУБА И РЕЛАКСАЦИОННЫЙ СЛОЙ И УДАРНОЙ ВОЛНЕ
7.1. Газодинамический процесс в ударной трубе. Падающая ударная волна
7.1.1. Расчеты и оценки параметров ударной волны
7.1.2. Влияние не идеальности процесса
7.2. Отражение ударной волны от торца ударной трубы
7.3. Набегание на стенку потока холодного газа
7.3.1. Гидравлический удар
7.4 Релаксационный слой во фронте ударной волны
7.4.1. Качественная картина
7.4.2. Газодинамические уравнения в слое и его структура
7.5. Пример расчета структуры релаксационного слоя в ударной волке
7.6. Измерение времени колебательной релаксации
Глава 8 СИЛЬНЫЙ ВЗРЫВ
8.1. Постановка автомодельной задачи и чакон распространения ударной волны
8.2. Решение автомодельной задачи
8.3. Результаты решения и их физическая интерпретация
8.4. От атомного взрыва до лазерной искры
8.5. Приближенное рассмотрение сильного взрыва
8.6. Заключительная стадия сильного взрыва: действие противодавления
8.7. Почему автомодельное решение неприменимо к взрыву обычного взрывчатого вещества
Глава 9 РАЗЛЕТ ГАЗОВОГО ШАРА В ПУСТОТУ
9.1. Асимптотическое движение газа
9.2. Эффект закалки
9.3. Взрыв на большой высоте
Глава 10 ИСТЕЧЕНИЕ ГАЗА ЧЕРЕЗ НАСАДКИ И СОПЛА
10.1. Квазиодномерное стационарное течение газа по трубе переменного сечения
10.2. Истечение через насадку
10.3. Сопло Лаваля
10.4. Реактивная сила
Глава 11 ДВИЖЕНИЕ ТЕЛ В АТМОСФЕРЕ С ДОЗВУКОВОЙ И СВЕРХЗВУКОВОЙ СКОРОСТЯМИ
11.1. Распространение малых возмущений в потоке
11.2. Метод Теплера фотографирования газовых течений
11.2.1. Распространение света в неоднородном газе
11.2.2. Схемы прибора Теплера и современного устройства
11.3. Обтекание затупленного тела гиперзвуковым потоком газа
11.3.1. Лабораторный эксперимент
11.3.2. Численное моделирование и теоретические оценки
11.3.3. Сила и коэффициент сопротивлении при гиперзвуковом полете тела
11.3.4. О неравновесности воздуха за ударной волной при гиперзвуковом движении тел в сильно разреженной атмосфере
Часть II ДИНАМИКА НЕСЖИМАЕМОЙ ВЯЗКОЙ ЖИДКОСТИ
Глава 12 ПОНЯТИЯ О ВЯЗКОСТИ И НЕКОТОРЫЕ ПРОСТЫЕ ТЕЧЕНИЯ вязкой жидкости
12.1. Молекулярно-кинетический механизм газового давления
12.2. Молекулярный механизм внутреннего трения газа в случае чисто сдвигового течения
12.3. Гидродинамика чисто сдвигового течения и силы, действующие на пластины
12.4. Тензор вязких напряжений
12.5. Уравнение движения вязкой жидкости
12.6. Молекулярный механизм теплопроводности газа
12.7. Диссипация энергии в газе и жидкости
12.7.1. Диссипации в газе
12.7.2. Диссипация энергии а несжимаемой жидкости
12.8. Структура скачка уплотнения в ударной волне
12.9. Течение несжимаемой вязкой жидкости по каналу и трубе
12.10. Число Рейнольдса и закон подобия
12.11. Обтекание сферы вязкой жидкостью при малых числах Рейнольдса
12.11.1. Физическая оценка силы сопротивлении
12.11.2. Точное решение уравнений (12.79)
12.11.3. Сила сопротивлении
12.11.4. Линии тока
12.11.5. Пределы справедливости и точность формулы Стокса
Глава 13 ПОТЕНЦИАЛЬНОЕ И ВИХРЕВОЕ ТЕЧЕНИЯ
13.1. Завихренность жидкости и циркуляция скорости
13.2. Примеры вихревого движения жидкости
13.2.1. Вращение сосуда с жидкостью
13.2.2. Сдвиговое течение
13.2.3. Медленное обтекание шара
13.3. Сохранение циркуляции скорости в идеальной жидкости
13.4. Справедливость уравнений Бернулли для потенциального и вихревого течений идеальной жидкости
13.5. Потенциальное течение при движении шара в несжимаемой жидкости
13.5.1. Шар движется, жидкость на бесконечности неподвижна
13.5.2. На покоящийся шар набегает поток жидкости
13.6. Парадокс Даламбера: отсутствие сопротивления при потенциальном обтекании тела
13.7. Линии и функции тока при плоском стационарном течении несжимаемой жидкости
Глава 14 ПОГРАНИЧНЫЙ СПОЙ И ЯВЛЕНИЕ ОТРЫВА
14.1. Приближенные уравнения ламинарного пограничного слоя
14.2. Пограничный слой у полубесконечной пластины, обтекаемой параллельным ей потоком
14.3. Отрыв линий тока от обтекаемого тела
14.4. Неустойчивость тангенциальных разрывов
14.5. Коэффициенты лобового сопротивления в большом диапазоне чисел Рейнольдса
14.6. Подъемная сила
14.6.1. Простейшая оценка подъемной силы
14.6.2. Теорема Жуковского
Глава 15 ТУРБУЛЕНТНОСТЬ
15.1. Историческое введение и некоторые существенные факт
15.2. Турбулентные напряжения
15.3. Турбулентная вязкость
15.4. Профиль скоростей при турбулентном течении жидкости вдоль неподвижной стенки
13.4.1. Гладкая стенка
15.4.2. Шероховатая стенка
15.5. Сила сопротивления при турбулентном течении жидкости по трубе
15.5.1. Гладкие трубы
15.5.2. Коэффициент сопротивлении для гладкой трубы
15.5.3. Шероховатые трубы
15.6. Баланс энергии и ее превращения при турбулентном движении несжимаемой жидкости
15.6.1. Уравнение баланса истинной кинетической энергии
15.6.2. Баланс энергии осредненного движения
15.6.3. Баланс энергии турбулентных пульсаций
15.7. Диссипация энергии при турбулентном течении несжимаемой жидкости вдоль плоской стенки
15.7.1. Численная оценка диссипации.
15.8. Закон подобия и энергетический спектр пульсаций при развитой турбулентности
15.8.1. Энергетический спектр
ГЛАВА 16 КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН И МЕДЛЕННОЕ ГОРЕНИЕ
16.1. Уравнение переноса тепла
16.2. Теплообмен между нагретым телом и неподвижной средой
16.3. Теплопередача в быстром ламинарном потоке
16.4. Турбулентные теплопроводность и теплообмен
16.5. Распространение пламени в режиме медленного горения
16.5.1. Структура волны медленного горения
16.5.2. Упрошенное уравнение режима
16.5.3. Нормальная скорость волны медленного горения
16.5.4. Распределение температуры в зоне прогрева и толщина волны
16.6. Распространение газовых разрядов в режиме медленного горения
16.6.1. Тенденция разрядов к распространению и аналогия с мешенным горением
16.6.2. Примеры медленного распространения разрядов
16.6.3. Нормальная скорость распространения разряда
16.6.4. Течение в высокочастотном плазмотроне
16.6.5. Дозвуковое обтекание горячей газовой сферы потоком холодного газа и скорость движения оптического разряда
Литература