气体动力学理论

气体动力学是研究气体运动规律和气体相互作用的学科，是物理学、化学、天文学等多个学科交叉的综合学科。在现代工程中，气体动力学理论也广泛应用于流体力学、热力学、航空航天、燃气轮机、化工等领域。

基本概念

• 气体：指在常温下（0℃~100℃，压强为1 atm），处于气态的物质。气体具有可压缩性、扩散性、不定形。

• 动力学：指研究物体运动规律、动能和势能变化等问题的学科。

气体动力学的方程

理论上描述气体动力学的方程有很多，这里介绍比较常用的三个方程：

• 维达定律（穴道公式）：$pV = nRT$

• 克劳修斯-莫塞蒂（差分）方程：$\frac{\partial\rho}{\partial t} + \frac{\partial(\rho u)}{\partial x} = 0$

• 纳维-斯托克斯方程：$\rho(\frac{\partial u}{\partial t} + u\frac{\partial u}{\partial x}) = -\frac{\partial p}{\partial x}$

其中，维达定律是研究气体物理性质的基础，克劳修斯-莫塞蒂方程用于研究气体运动中的质量流动，纳维-斯托克斯方程用于研究气体运动中的动量变化。

气体动力学模拟

气体动力学理论不仅仅是一种数学模型，也可以应用于天然气、石油、煤等资源开采和运输，以及新能源、航空航天等领域的研究。在计算机模拟领域，气体动力学模拟也是比较常见的。

气体动力学模拟的步骤一般包括建立几何模型、划分网格、设定边界条件和初始状态、设定时间步长和求解方程等。常用的气体动力学模拟软件有OpenFOAM、ANSYS Fluent等。

参考资料

• 《气体动力学》 周正平著

• 《气体动力学基础》 邓志涛著

• 从气体动力学到流体力学：全面理解 Computational Fluid Dynamics (CFD) (知乎文章)