Gasdynamik

Gas|dy|na|mik 〈f. 20; unz.〉 Lehre vom Strömungsverhalten kompressibler Stoffe (i. Allg. Gase), umfasst auch als Spezialfall die Hydrodynamik

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Gasdynamik,

 

Teilgebiet der Strömungslehre, das sich mit der experimentellen und theoretischen Untersuchung der Strömungen von Gasen bei großen Strömungsgeschwindigkeiten (größer als etwa ¹/₇ der lokalen Schallgeschwindigkeit) befasst und die dann nicht mehr vernachlässigbare Zusammendrückbarkeit und Erwärmung der Gase berücksichtigt. Derartige kompressible Strömungen, in denen beträchtliche Dichte- und Temperaturänderungen auftreten können, werden daher wesentlich durch das thermodynamische Verhalten der Gase beeinflusst. Dagegen spielt die innere Reibung der Gase eine untergeordnete Rolle. Ihre Wirkung beschränkt sich auf Strömungsgebiete mit großen Gradienten der Strömungsgeschwindigkeit (Druckwelle, Grenzschicht, Stoßwelle, Verdichtungsstoß). Die theoretische Gasdynamik behandelt daher überwiegend die Strömungen reibungsfreier Gase. Meist wird auch vorausgesetzt, dass es sich um ideale Gase handelt; diese Voraussetzung ist für viele Anwendungen in der Aerodynamik und der Ballistik sowie in der Theorie der Strömungsmaschinen ausreichend. Untersuchungen gasdynamischer Vorgänge in der Luft- und Raumfahrtmechanik, in der Astrophysik, Plasmaphysik und chemischen Reaktionskinetik haben zur Entstehung von Teilgebieten wie Relaxationsgasdynamik und Magnetogasdynamik (Magnetohydrodynamik) geführt.

 

Die wichtigste dimensionslose Kennzahl der Gasdynamik ist die Mach-Zahl Ma. Stationäre Strömungen mit Ma < 1 (Unterschallströmungen) zeigen grundsätzlich ein anderes Verhalten als Strömungen mit Ma > 1 (Überschallströmungen). In Unterschallströmungen breiten sich kleine, von einem ruhenden Störzentrum ausgehende Druckstörungen allseitig aus. In reibungsfreien Überschallströmungen beschränkt sich ihr Einfluss auf das Innere des Mach-Kegels. Bei ihnen ändern sich Strömungsgesetz und Strömungsbild, weil Kopfwellen und andere Verdichtungsstöße, d. h. unstetige Änderungen von Druck und Dichte des Gases, auftreten. Bei Erreichen der Schallgeschwindigkeit steigt außerdem wegen Strömungsablösung an Wänden der Strömungswiderstand stark an (Schallmauer). Daneben unterscheidet man wegen ihrer Besonderheiten schallnahe oder transsonische Strömungen (Ma zwischen 0,8 und 1,2) und hypersonische oder Hyperschallströmungen (mit MaMa > 5), die mit starken Temperaturerhöhungen in der Grenzschicht und bei hohen Temperaturen mit Ionisation und Dissoziation der Gasmoleküle verbunden sind.

 

Bei geringen Gasdichten (z. B. Luft in großen Höhen) ist die zum Verhältnis von Mach-Zahl zu Reynolds-Zahl proportionale Knudsen-Zahl Kn eine wichtige Kennzahl, deren Größe erkennen lässt, ob überhaupt noch eine Kontinuumsströmung (Kn → 0) vorliegt oder ob die Gesetze der freien Molekülströmung (Kn → ∞) gelten.

 

Literatur:

 

K. Oswatitsch: Grundlage der G. (Wien 1976);

 J. Zierep: Theoret. G. (⁴1991).

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Gas|dy|na|mik, die (Physik): Strömungslehre auf dem Gebiet gasförmiger Stoffe.