Молекулярное течение

Молекуля́рное тече́ние (свободномолекулярное течение), течение разреженного газа, в котором средняя длина свободного пробега частиц (молекул, атомов, ионов, электронов) значительно превышает характерный линейный размер течения (т. е. число Кнудсена ${\displaystyle {\boldsymbol {K}}_{n}\gg 1}$). Длина свободного пробега обратно пропорциональна концентрации частиц и в атмосфере экспоненциально возрастает с высотой: у поверхности Земли имеет порядок 10^–7 м, на высоте 150 км составляет 4–18 м. Таким образом, на высотах больше 150 км в атмосфере для тел размером около 1 м реализуется свободномолекулярный режим обтекания.

Любой конечный объём газа представляет собой механическую систему с очень большим числом степеней свободы. Поэтому для вычисления основных динамических и термодинамических характеристик газа пользуются статистическими представлениями, описываемыми функцией распределения (математическим ожиданием). Распределение частиц по скоростям в молекулярном течении описывается равновесной функцией распределения Максвелла (являющейся точным решением уравнения Больцмана для молекулярного течения). В молекулярном течении можно пренебречь столкновениями частиц газа друг с другом, поэтому бо́льшая часть аэродинамических задач сводится к изучению взаимодействия частиц с обтекаемыми поверхностями. Характер взаимодействия разреженного газа со стенкой определяет тепловые потоки и силы сопротивления тел, движущихся в разреженном газе. Вычисление функции распределения по скоростям частиц газа, отражённых от поверхности обтекаемого тела, является сложной квантовомеханической задачей, которая на практике решается введением экспериментально определяемых коэффициентов (аккомодации энергии, касательного и нормального импульсов) для постановки граничных условий к уравнению Больцмана. Для континуального течения (${\displaystyle {\boldsymbol {K}}_{n}\ll 1}$) эти коэффициенты равны единице. Чем более разрежен газ, тем существеннее роль взаимодействия частиц газа с твёрдыми поверхностями.

Молекулярные течения возникают при напылении плёнок в вакууме, при разделении потоков в вакуумной теплоизоляции криогенной техники, при обтекании летательных аппаратов, движущихся на больших высотах в атмосферах планет, и т. п.