В предлагаемой читателю книге рассматривается современное состояние экспериментальных и теоретических исследований релаксационных процессов в ударных волнах и газах. Ударная волна появилась в гидродинамике первоначально как геометрическая поверхность разрыва, разделяющая два термодинамически равновесных состояния газа. Такое представление об ударной волне оказывается справедливым для огромного большинства задач, встречающихся в газовой динамике. Его применимость ограничена требованием малости реальной ширины ударных волн по сравнению с характерными размерами газодинамических потоков. Это условие может, однако, не выполняться в случае достаточно сильных ударных волн в разреженных газах, когда ширина ударной волны становится сравнимой с размерами обтекаемого тела или другими характерными размерами потока. При исследовании таких течений возникает и приобретает первостепенную важность вопрос о структуре ударных волн и о процессах, протекающих в ударных волнах.

До последнего времени исследование этих процессов представляло академический интерес. Однако в настоящее время положение существенно изменилось. Прежде всего, мы обязаны этим бурному развитию газодинамики больших скоростей. Развитие ракетной техники и освоение космического пространства выдвинули задачу исследования структуры ударных волн в число наиболее интересных практических проблем. Развитие исследований в этой области привело к созданию экспериментальных методов, область применения которых, как это часто бывает, оказалась значительно шире первоначально поставленной задачи — моделирования явлений обтекания при высотных полётах. Полученные на этом пути результаты, относящиеся к исследованию быстро протекающих процессов в ударных волнах, представляют интерес во многих областях науки — от ультраакустики и оптики до химической кинетики.

В последнее время появился ряд книг, посвящённых применению ударных волн к изучению физико-химических превращений (Я. Б. Зельдович и Ю. П. Райзер «Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений», Физматгиз, М., 1963; Green E. F., Тоеnnies J. P., Chemische Reaktionen in Stosswellen, Darmstadt, 1959; Breadley J. N., Shock Waves in Chemistry and Physics, Lnd., 1962; Gaydon A. G., Hurle I. R., The Shock Tube in High-Temperature Chemical Physics, London, 1963). Однако в этих монографиях рассмотрение релаксационных процессов в ударных волнах проведено недостаточно полно. Этот пробел и пытаются восполнить авторы настоящей книги. Основное внимание авторы уделяют физике явления и, в частности, выяснению закономерностей отдельных процессов установления статистического равновесия по различным степеням свободы молекул, кинетике термической диссоциации и ионизации. Именно эти процессы существенны в сильных ударных волнах, в которых развиваются температуры до десяти — двадцати тысяч градусов. Многочисленные применения полученных результатов к различным задачам химической физики, газовой динамики и т. д., как правило, не рассматриваются. Сравнительно кратко освещены особенности излучения неравновесных зон за фронтом ударной волны. Вопросы распространения ударных волн в плазме остаются вне рамок этой книги.

В первой главе, носящей вводный характер, излагаются общие вопросы: образование и структура ударных волн, качественная картина релаксационных процессов в газах и основы экспериментальных методов их исследования. Следующие три главы посвящены экспериментальным и теоретическим исследованиям релаксационных процессов в ударных волнах. Здесь авторы поставили своей целью по возможности полно рассмотреть основные направления, методы и результаты экспериментальных и теоретических работ в этой области. В пятой главе рассмотрен важный для практики вопрос о неравновесных явлениях за фронтом ударной волны в воздухе.

Движение газа в релаксационной зоне ударной волны, как и любое течение, в котором размеры релаксационной зоны порядка характерной длины течения, описывается «релаксационной» гидродинамикой. Сколько-нибудь полное рассмотрение относящихся сюда вопросов выходит за рамки этой книги. Авторы сочли возможным в последней, шестой главе ограничиться лишь кратким очерком свойств движения релаксирующего газа.

Авторы надеются, что книга окажется полезной научным работникам, занимающимся вопросами физической газодинамики, высокотемпературной теплофизики, химической физики, а также аспирантам и студентам старших курсов соответствующих специальностей.

Авторы глубоко признательны Н. А. Генералову, Ю. П. Райзеру и Е. В. Самуйлову, прочитавшим рукопись и сделавшим ряд ценных замечаний, а также всем товарищам, оказавшим содействие в подготовке книги.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Книги на ту же тему

1. Химия плазмы. Вып. 6, Смирнов Б. М., ред., 1979
2. Теория горения порохов и взрывчатых веществ, Лейпунский О. И., Фролов Ю. В., ред., 1982
3. Физика горения и внутренняя баллистика, Ассовский И. Г., 2005
4. Избранные труды: Химическая физика и гидродинамика. Частицы, ядра, Вселенная. В 2-х кн. (комплект из 2 книг). — 2-е изд., репринт., Зельдович Я. Б., 2014
5. Газодинамические основы внутренней баллистики, Бетехтин С. А., Виницкий А. М., Горохов М. С., Станюкович К. П., Федотов И. Д., 1957
6. Течение конденсирующихся и запылённых сред в соплах аэродинамических труб, Чирихин А. В., 2011
7. Некоторые вопросы кинетической теории газов, 1965
8. Ударные волны и экстремальные состояния вещества, 2000
9. Качественные методы в физической кинетике и гидрогазодинамике: Учеб. пособие для физич. спец. вузов, Крайнов В. П., 1989
10. Методы физико-химической кинетики, Туницкий Н. Н., Каминский В. А., Тимашев С. Ф., 1972
11. Взрывные генераторы мощных импульсов электрического тока. — 2-е изд., Асиновский Э. И., Лебедев Е. Ф., Леонтьев А. А., Минцев В. Б., Нестеров Е. В., Осташев В. Е., Строганов В. А., Ульянов А. В., Ушнурцев А. Е., Фортов В. Е., Черных Е. В., Шурупов А. В., 2012
12. Вычислительные методы в динамике разреженных газов, Шидловский В. П., ред., 1969
13. Математическая теория неоднородных газов, Чепмен С., Каулинг Т., 1960
14. Неравновесная термодинамика и физическая кинетика, Базаров И. П., Геворкян Э. В., Николаев П. Н., 1989
15. Введение в теорию течения сжимаемой жидкости, Бай Ши-И, 1962
16. Магнитогидродинамические течения в каналах, Гаррис Л., 1963
17. Основы химической кинетики и катализа, Байрамов В. М., 2003
18. Кинетика химических реакций: Учебное пособие, Семиохин И. А., Страхов Б. В., Осипов А. И., 1995
19. Исследование гидродинамической неустойчивости в задачах лазерного термоядерного синтеза методами математического моделирования, Лебо И. Г., Тишкин В. Ф., 2006
20. Фотографическая регистрация быстропротекающих процессов, Дубовик А. С., 1964
21. Взрывное дело: Сборник 83/40: Методики измерения и аппаратура для исследования действия взрыва, Родионов В. Н., Фомичев А. Г., ред., 1982
22. Современные проблемы исследования быстропротекающих процессов и явлений катастрофического характера: к 75-летию В. П. Коробейникова, 2007
23. Неравновесная колебательная кинетика, Капителли М., ред., 1989
24. Элементарные процессы в плазме щелочных металлов, Ключарев А. Н., Янсон М. Л., 1988
25. Медленные атомные столкновения, Никитин Е. Е., Смирнов Б. М., 1990
26. Спектроскопия плазмы с квазимонохроматическими электрическими полями, Окс Е. А., 1990
27. Газовые лазеры, Мак-Даниель И. У., Нигэн У. Л., ред., 1986
28. Возбуждённые частицы в химической кинетике, Бамфорд К., Типпер К., ред., 1973
29. Симметрия молекул и спектроскопия. 2-е переработ, изд., Банкер Ф., Йенсен П., 2004
30. Термодинамика необратимых процессов, 1962