认识稀薄气体动力学_沈青

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1、:第6期沈青认识稀薄气体动力学`,认识稀薄气体动力学沈青,(中国科学院力学研究所北京100080),,.沈青1935年12月生中院力学研究所研究员、1961国科学博士生导师年毕业于前苏联列宁格勒大学(圣彼得堡大学)数学力学系·1983年英国剑、1985桥大学应用数学和理论物理系访问学者;年前苏联列宁格勒加里宁工.学院(、7圣彼得堡国立技术大学)访问学者多年在力学研究所航天部20、、所701所从事稀薄气体动力学气溶胶力学和导弹弹头防热等方面的研.究在小粒子热泳沉降、稀薄气流中内能激发松弛和化学反应

2、等的直接统计模拟以氏速稀薄气流的模拟等方面有创新贡献.现任中国空气动力学会副刻,,理事长国际稀薄气体动力学会议咨询委员会成员第20届国际稀薄气体动力学会议主席.摘要以通俗易懂的方式介绍了空气动力学当气体间断分子效应显著时发展起来的特殊分支..—通过与ann稀薄气体动力学讨论了非平衡现象与稀薄气体动力学的关系8速度气体模型的间断Boltzm方程的对比,解释了Bol七zmann方程碰撞项的物理意义和数学困难,简要综述了其一般解法.讨论了,oe分子在物体表面的反射和问题的边界条件着重介绍了直接模拟Mn

3、tCarfo(DSMc)方法和为克服低速稀薄流动(如MEMS中流动)中模拟困难的信息保存(IP)方法.,,,,关键词稀薄气体动力学Boltzmann方程DSMC方法低速稀薄流动IP方法1介质是连续的还是间断的?,在古希腊诸多关于物质构造的哲学臆测中Democirtus(460、370Bc)提出的物质构造学说最接近于真实.他认为物质均由极小粒子组成,它们大小形状各异并处于不停运动之中.当然,分子,运动论(亦称分子动理论Kinetietheory)的真正的定量论证是从DanielBernouil(1

4、700、1752)开始的.他于1738年解释了Boyle定律,即恒温下气体的压力与密度成正比.在Beronuil的讨论中,气体对壁面的压力是由各个分子与器壁碰撞将动量传递给后者而产生的.在立方体容器中,,,,设所有分子中各1/3沿前后左右和上下三个方向运动计算壁面因分子动量变化所受的力就得到压力与密度和气体均方根速度的关系(1)这与现代分子运动论的理论是完全一致的.有趣的是,尽管DanielBeronulh是最早从分子运动,论的观点来观察气体的科学家但他对于流体运动研究的最大贡献是从连续介质模型

5、出发建立起来的流动中的液体的压力、高度和速度关系的Beronull定理.的确,从Eulerl(70-71783)和,,,eBrnouil建立理论流体力学以来连续介质的处理方法包括以后发展起来的气体动力学方法,一直成功地解决着人类遇到的物体在液体和气体中的受力和受热的问题而毋需考虑介质其实是.,2002一0-708收到第i稿2002一08一20收到修改稿l)国家自然科学基金项目(19889209).资助力学与实践2002年第24卷间断的.这是因为通常条件下,人们所感知的气体世界表现出连续的特征,用

6、仪器观察到的气体.,的性质也是连续和光滑的通常流动特征尺度至少要有Ic在人类的生产实践中或实验室里巩.而气体的物理或动力学性质在10一”cm的范围内变化会很小这一线性大小构成的体积10一”cm”,在标准状态下包含了大约3x101。个分子这使得气体的平均性质没有什么涨落起伏而表现出连续和光滑的特性.但当气体密度变得十分低使得分子的平均自由程与流动的特征尺度相比不为小量时,气体的间断分子效应就变得显著,通常的气体动力学方法不再适用.分子平均自由程入是,,,一个分子在两次相继碰撞间走过的距离久=1/(

7、梅口T司其中。T为碰撞截面。为分子数密度*.在海平面其大小约为.007x10一“m.在70km高空约为lmm,在85km高空则约为Icm,这时稀薄效应变得重要起来.现代稀薄气体动力学正是从对在高空中飞行的物体的受力受热的研究开始的l[,a)].钱学森将稀薄气体流动分为三大领域,即滑流领域,过渡领域和自由分子流领域.领域划分的依据是Kundsen数Kn=入/L(2)这里L为流动特征长度.不同流动领域所对应的K。数为滑流领域.00110自由分子流K,

8、,在滑流领域气体流动与一般连续介质流动的不同主要表现在边界附近出现所谓壁面速度滑移和温度跳跃.在自由分子流领域,气体分子之间的碰撞很少,由物体反射的分子不对来流的,,,速度分布函数产生影响是已知的平衡Maxwen分布这时了解分子在表面是如何反射的就得到问题的完全的解.在过渡领域,分子间的碰撞及分子与表面的碰撞同样重要,要借助分子气体动力学的方法求解,这是稀薄气体动力学的核心的,也是最困难的问题.,,根据分子运动论气体的戮性系数拼与密度p热运动平均速度云和平均自由程入有如下关系习上1一,一C4)户