книги из ГПНТБ / Гинзбург И.П. Пограничный слой смеси газов учеб. пособие
.pdf
Министерство высшего и среднего специального образования СССР
Ленинградский ордена Красного Знамени
Механический институт
и.п.гинзбург, ю.п.сдаалш
ПОГРАНИЧНЫЙ СЛОИ СМЕСИ ГАЗОВ
Учебное пособие
Одобрено Советом машиност роите льного факультета
Ленинградского механического института
Л е н и н г р а д
19 7 4
© ЛМИ, 1974
О Г Л А В Л Е Н И Е
|
|
|
|
|
|
|
|
.Стр. |
П р е д и с л о в и е ............................. |
|
.............................................. |
|
'6 |
||||
Г л а в а |
I . |
Основные сведения из термодинамики не об- |
8 |
|||||
|
|
|
|
ратимых процессов и химической кинетики |
|
|||
§ |
I . |
Некоторые понятия |
и о п р е д е ле н и я................................. |
|
8 |
|||
§ |
2. Понятие |
термодинамического равновесия, |
темпера- |
/У |
||||
|
|
туры и энтропии . . . . . ................................................ |
||||||
§ 3 . Химическое равновесие. Закон действующих масс |
. У9 |
|||||||
§ |
4. О вычислении констант |
равновесия с нспользова- ■ 25 |
||||||
|
|
нием статистических сум ы .................................................... |
|
|
||||
§ |
5 . |
Вывод статистических сумм с помощью методов |
J 4 |
|||||
|
|
квантовой м еханики.................................................... |
|
|
|
|||
§ |
6 . ' Другие |
методы вы шсленип констант равновесия. |
44 |
|||||
|
|
Закон Вант-Гоффа......................................................... |
|
|
|
|
||
§ |
7 . |
Примеры применения закона действующих масс для |
4 8 |
|||||
|
|
расчета концентраций и других термодинамических |
|
|||||
|
|
характеристик смеси га зо в . . . . . . . . . . . |
|
|||||
§ |
8 . |
Основные сведения |
из |
химической кинетики. Пон я - |
54 |
|||
|
|
тие |
неравновесных |
т е ч е н и й ............................................... |
|
|
||
§ |
9 . |
Определение вязко с ти , |
теплопроводности |
и диффу- |
67 |
|||
|
|
вин |
в смеси га зо в |
.................................................................. |
|
|
|
|
§ 10. |
Понятие идеально диссоциирующего газа |
................... |
78 |
|||||
§ |
И . |
Гетерогенные химические реакции................................. |
|
90 |
||||
4 #
I
|
|
|
|
|
|
|
|
- |
3 - |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Стр. |
Г л а в а |
|
И. |
Уравнения |
движения |
смеси га зов |
........................ |
|
5 4 |
|||||||
* <j |
I . |
Байон |
сохранения |
м а с с ы ......................................................... |
|
|
|
|
|
^4 |
|||||
§ |
2. |
Закон |
изменения |
количества |
д ви ж е н и я............................. |
|
So |
||||||||
§ |
3 . |
Уравнение, выражающее закон сохранения энергии |
. |
ЮЗ |
|||||||||||
§ Ц. |
Уравнение диф ф узии................................................................... |
|
|
|
|
|
|
НО |
|||||||
§ |
5. |
Уравнение |
с о с то ян и я................... |
|
|
|
........................................... и< |
||||||||
§ |
б. |
Основные |
уравнения для |
суммарных величин, ха р а кте -//5 |
|||||||||||
|
|
ризушщих |
смесь га зов |
в |
целом |
........................................... |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
• |
Г л а в а |
Ш. |
Основные |
сведения из |
теории |
пограничного |
|
|
||||||||
|
|
|
|
слоя для |
ламинарных движений-жидкости . |
. |
122 |
||||||||
§ |
I . |
Понятие |
пограничного |
с л о я ................................. |
|
|
126 |
|
|
||||||
§ |
2 . |
Уравнения |
пограничного |
слоя |
для смеси га зо в. Гра |
|
|||||||||
|
|
ничные |
у о л о в и я ............................. |
|
|
|
.... . |
. . |
i . . . . . |
|
/J4 |
||||
§ 3 . 0 |
возможных способах |
решения |
уравнений |
погранич |
|
|
|||||||||
|
|
ного с л о н .......................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
|
/4 / |
|||||
k |
|
Автомодельные'решения уравнений ламинарного по |
|
|
|||||||||||
|
|
граничного |
слоя |
для |
смеси |
г а з о в ...................................... |
|
|
/44 |
||||||
Г л а в а |
1У. |
|
Ламинарный пограничный слой однокомпоненлу |
||||||||||||
|
|
|
|
|
ной жидкости |
и |
смеси г а з о в ........................ |
|
. |
155 |
|||||
§ |
I . |
Обтекание 'пластины потоком вязко й несжимаемой жид |
|||||||||||||
|
|
кости |
............................ |
|
|
|
. . ................................. |
|
155 |
||||||
§ |
2 . |
Обтекание |
пластины Потоком вязкой |
сжимаемой жид |
|
|
|||||||||
|
|
|
кости |
|
|
|
|
|
|
...................................... |
|
.... |
|
|
154 |
§ |
8 . |
|
Обтекание |
острого ковуоа . |
|
. . . . . . . . |
|
171 |
|||||||
§ |
|
|
Течение |
в |
окрестности |
критичвбкой |
точки при умя- |
|
|||||||
- 4 -
|
|
|
|
|
Стр. |
|
|
ренных сверхзвуковых скоростях (при отсутствии |
|
||
|
|
диссоциации)................................................................................. |
|
W5 |
|
§ 5 . |
Эффект диссоциации. Влияние химических реакций |
|
|||
|
|
на те п ло п р о во д н о с ть....................... |
|
162 |
|
§ |
6 . |
Обтекание плоской пластины .............................................. |
|
183 |
|
§ |
7 . |
Течение |
вблизи критической точки тупоносого тела |
|
|
|
|
при гиперзвуковых скоростях (с учетом диссоциа- |
|
||
|
• |
ц и и ) ............................................................................................... |
|
192 |
|
Г л а в а |
У . |
Турбулентное движение смеси га зов . . |
. . |
202 |
|
§ |
I . |
Уравнения для средних местных гидродинамических |
|
||
|
|
величин |
(уравнения Ре й но льдс а ).................................. |
204 |
|
§ |
2 . |
Уравнения турбулентного пограничногослоя . |
. . |
212 |
|
§ |
В . |
Основные сведения из полуэмпирической теории |
|
|
|
|
|
турбулентности ............................................................................ |
|
216 |
|
§Метод интегральных соотношений в задачах погра
|
|
|
ничного |
слоя ............................................... |
220 |
$ |
5 . |
Решение |
задачи о турбулентном пограничном слое |
||
|
|
|
пластины методом а н а л о ги й ........................................... |
227 |
|
§ |
6 . |
Решение |
задачи о сверхзвуковом турбулентном по |
||
|
|
|
граничном слое пластины, исходя из полуэмпири |
||
|
|
|
ческой |
теории турбулентности . . .................................... 228 |
|
§ |
7 . |
|
Течение в пограничном слое пластиныдиссоциирую |
||
|
|
|
щего г а з а |
231 |
|
§ |
8 . |
|
Об одном класое локально-автомодельныхуравнений |
||
|
|
|
неонимаемого турбулентного пограничного слоя |
. . 244 |
|
•§ 9 . |
Локально-автомодельное решение для уравнений |
ежи- |
|||
|
- |
5 - |
|
|
|
|
Стр. |
маемого |
турбулентного |
пограничного с л о я ................... |
259 |
Л и т е р а т у |
р а . » ................................. |
|
266 |
-6 -
ПР Е Д И С Л О В И Е
При решении многих практически интересных задач современ
ной аэродинамики приходится сталкиваться с проблемой движения
смеси га зо в. Например, при движении тел в атмосфере с гиперзву
ковой скоростью приходится считаться с возникающим высокотемпе ратурным эффектом, приводящим к диссоциации и .ионизации воздуха.
При этом два различных раздела физики - аэродинамика и химичес кая кинетика - пр ихо -ят в соприкосновение и интенсивно влияют друг на друга. Эти эффекты взаимодействия наиболее ярко прояв ляются в пограничном слое га за , причем из-за возможного разруше ния поверхности обтекаемого тела возникает очень сложная карти на взаимодействия между движущимся газом и протекающими хими ческими процессами.
Гл а во й целью предлагаемого учебного пособия являе тс я сис тематическое изложение оонов теории ламинарного и турбулентного пограничных слоев в реагирующей смеои га зо в. Все необходимые хи мические, термодинамические и физические понятия излагаются до статочна подробно, с тем чтобы читатель мог не обращаться к дру гим ИстбчНикаН при предварительном чтении курса. Конечно, неболь шой объем данного поЬобНн не может претендовать на исчерпываю щее изложение отдельных аспектов рассматриваемой проблемы; это,
скорее, введение в общую Проблему тепломассообмена при высоких температурах в смеси Га зо в, Изучение которого поможет читателю вполне хорошо ориентироваться в специальной журнальной литере-
гуре, кан в отечественной, так и зарубежной. В основу курса по
- |
7 |
- |
|
|
ложен цикл лекций, на протяжении |
многих лет |
читаемый |
проф. |
|
И.П.Гинзбургом в Ленинградском |
механическом |
институте |
и на ма |
|
тематико-механическом факультете ЛГУ им.А.Л.Жданова. Большую помощь при оформлении данного курса оказала Т.Г.О парина, кото рой авторы выражают большую признательность.
- 8 -
Г Л А В А I
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИВ ТЕРМОДИНАМИКИ НЕОБРАТИМЫХ ПРОЦЕССОВ И ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ
|
§ I . |
На которые |
понятия |
и определения |
|
|||
Рассмотрим |
смесь |
га зо в, |
состоящую из g |
компонентов. |
Эти |
|||
компоненты |
могут |
вступа ть в |
г |
химических реакций. Обозначим |
||||
компоненты |
оимволоы |
/ !;,( ( . |
|
= |
••• Я |
Уравнение о(. |
-й |
|
химической реавции может быть представлено следующим стехиомет рическим уравнением:
, ( Ы )
где ^ Ьл " стехиометрические коэффициенты.
Пример. Для реакции разложения воды
гиг^ 2 и ^ о г
|
|
|
|
^2 |
А) |
|
|
|
запишем стехиометрические |
коэффициенты: |
} fol |
= I , |
= 2, |
||||
V |
- 2 - |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Понятие концентрации |
|
|
|
|
|
Введем |
обозначения: |
|
|
|
|
||
|
Ci |
- |
число |
частиц |
компонента |
в |
единице |
объема; |
|
i^ i- |
масса |
частицы компонента А: |
в |
единице |
объема; |
||
|
rs»/ |
|
|
L - х |
|
|
|
|
P l =mLCi~ масса |
частиц (компонента |
) |
в единице |
|||||
- 9 -
^ l
N*
"i 'N a'Ci
|
объема |
или массовая плотность |
с - it компоненты; |
||||
- |
число |
молей |
б -й |
компоненты в |
объеме |
V ; |
|
- |
число |
молей |
L -Й |
компоненты в |
единице |
объема |
|
|
или объемная концентрация, моль/см3 ; |
|
|||||
- |
число |
Авогадро ( |
Л/д = 6 |
,0 2 • I 0 23) , или число мо |
|||
|
лекул в одном моле; |
|
|
|
|||
- |
число молекул в единице |
объема. |
|
|
|||
Массовую плотность l - й компоненты монно выразить через массу L -Й частицы и число частиц в единичном объеме
pl =mi^L =n\ NA'Ci - ML CL |
, |
( 1 .2 ) |
|||||||
где Mi = mL Л/д—молекулярный вес |
L |
-й |
компоненты. |
||||||
Ллотность |
смеси га зо в, состоящей |
из |
q компонент, моано |
||||||
определять как |
|
|
|
|
9 |
|
|
|
|
|
|
|
P = S , P i ’ |
|
|
|
( 1 .8 ) |
||
|
|
|
|
|
Я |
|
|
|
|
|
|
|
Р = Е mi пс |
|
|
|
(1 .3 а ) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Объемная концентрация |
смеси га зо в |
определяется |
|||||||
|
C |
r |
Z |
C |
L |
|
|
|
( 1 . 0 |
|
|
|
(П |
|
|
|
|
|
|
Относительная |
объемная |
концентрация |
i |
-й |
компоненты |
||||
|
* |
^ |
г |
|
|
|
|
|
( I ' S) |
Относительная |
массовая |
концентрация |
L |
-Й |
компоиенты |
||||
|
t |
_ |
P i |
|
|
|
|
( 1. 6 ) |
|
|
k i ~ p - |
|
|
|
|
||||
Кодеку лирный вес смеси га зов будем определять соотношением 0-NC > откуда