可压缩流

可压缩流动（或气体动力学）是流体力学的一个分支，它处理流体密度发生显着变化的流动。 虽然所有流动都是可压缩的，但当马赫数（流动速度与声速之比）小于 0.3 时，流动通常被视为不可压缩（因为速度引起的密度变化约为 5%） 案件）。 可压缩流的研究涉及高速飞行器、喷气发动机、火箭发动机、高速进入行星大气层、输气管道、喷砂等商业应用等诸多领域。

气体动力学的研究往往与现代高速飞机的飞行和太空探索飞行器的大气再入有关； 然而，它的起源在于更简单的机器。 在 19 世纪初，对发射子弹行为的调查导致了枪支和大炮的准确性和能力的提高。 随着世纪的进步，古斯塔夫·德拉瓦尔等发明家推动了该领域的发展，而恩斯特·马赫等研究人员则试图通过实验了解所涉及的物理现象。

20 世纪初，气体动力学研究的重点转向了最终成为航空航天工业的领域。 Ludwig Prandtl 和他的学生提出了从边界层到超音速冲击波、超音速风洞和超音速喷嘴设计的重要概念。 普朗特的学生西奥多·冯·卡门 (Theodore von Kármán) 继续提高对超音速流的理解。 其他著名人物（Meyer、Luigi Crocco 和 Ascher Shapiro）也对现代气体动力学研究的基本原理做出了重大贡献。 许多其他人也为这一领域做出了贡献。

伴随着 20 世纪初对气体动力学概念理解的改进，公众误以为飞机可达到的速度存在障碍，通常称为音障。 事实上，超音速飞行的障碍只是一个技术障碍，尽管它是一个需要克服的顽固障碍。 除其他因素外，当流动接近音速时，传统机翼的阻力系数会急剧增加。 事实证明，当代设计很难克服更大的阻力，因此会产生音障的感觉。 然而，飞机设计取得了足够的进展，生产出了 Bell X-1。 由查克·耶格尔 (Chuck Yeager) 驾驶的 X-1 于 1947 年 10 月正式达到超音速。

从历史上看，为了进一步了解气体动力学知识，人们遵循了两条平行的研究路径。 实验气体动力学使用光学技术进行风洞模型实验和激波管和弹道范围内的实验，以记录研究结果。 理论气体动力学考虑应用于可变密度气体的运动方程及其解。 许多基本的气体动力学都是分析性的，但在现代计算流体动力学应用计算能力来解决特定几何形状和流动特性的可压缩流动的其他棘手的非线性偏微分方程。

可压缩流动的基本理论涉及几个重要假设。 所有流体均由分子组成，但无需跟踪流动中的大量单个分子（例如在大气压力下）。 相反，连续介质假设允许我们将流动的气体视为一种连续的物质，除了低密度。 这个假设提供了一个巨大的简化，对于大多数气体动力学问题都是准确的。 只有在稀薄气体动力学的低密度领域，单个分子的运动才变得重要。

一个相关的假设是无滑移条件，其中假定固体表面的流速等于表面本身的速度，这是假设连续流的直接结果。 无滑移条件意味着流动是粘性的，因此在高速穿过空气的物体上形成边界层，就像在低速流动中一样。

不可压缩流动中的大多数问题仅涉及两个未知数：压力和速度，这通常是通过求解描述质量守恒和线性动量守恒的两个方程式（假设流体密度恒定）来求出的。 然而，在可压缩流中，气体密度和温度也成为变量。 这需要另外两个方程来求解可压缩流问题：气体状态方程和能量守恒方程。 对于大多数气体动力学问题，简单的理想气体定律是合适的状态方程。