gasdynamiek

Gasdynamiek is het vakgebied van de vloeistofdynamica dat de beweging van gassen bestudeert, met name compressibele stromingen waarbij de dichtheid aanzienlijk kan variëren. De theorie behandelt gassen als continu en is gebaseerd op behoudswetten voor massa, impuls en energie, in combinatie met een toestandsgedrag zoals de ideale gaswet. Deze wetten leveren wiskundige modellen die drukken, temperaturen, snelheden en dichtheden in een stroming beschrijven.

De basisvergelijkingen zijn de continuïteitsvergelijking, de impulsenvergelijking (bij afwezigheid van viscositeit leveren de Euler-vergelijkingen op; met viscositeit de Navier–Stokes-vergelijkingen) en de energievergelijking. Bij compressibele stromingen is de relatie tussen druk, temperatuur en dichtheid cruciaal. Isentrope en adiabatische processen komen vaak voor, en de geluidssnelheid bepaalt hoe informatie door de stroming reist.

Een belangrijke dimensie is het Mach-getal M = v/a, met a = sqrt(gamma p/rho). Subsonische (M < 1), transsonische en supersonische (M > 1) stromingen vertonen verschillende kenmerken. Bij supersonische stroming ontstaan compressie- en schokgolven; schokken volgen de Rankine–Hugoniot-voorwaarden en veroorzaken abrupte veranderingen in druk en temperatuur. In nozzles en windtunnels kan de stroming onder bepaalde condities choking bereiken, waardoor de massastroom wordt beperkt.

Toepassingen en computermethoden: gasdynamiek speelt een centrale rol bij het ontwerp van vliegtuigen en raketmotoren, straalmotoren, nozzles en ruimtevaartuigen, evenals in windtunnels. Voor complexe geometrieën wordt vaak CFD toegepast, waarbij de Navier–Stokes-vergelijkingen numeriek worden opgelost met methoden zoals finite-volume of finite-elementen, inclusief turbulentie-modellen.

Historisch gezien begon de formele gasdynamiek met bijdragen van Euler en Bernoulli; de Navier–Stokes-vergelijkingen geven de viscose stroming weer en werden later algemeen toegepast. In de twintigste eeuw ontstonden de fundamenten voor modern aerodynamisch ontwerp en ruimtevaarttoepassingen.