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高超聲速流動

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1概述

流體的流動速度遠大於聲速的流動。對於細長體,一般指來流馬赫數≥5的流動。高超聲速流動有許多不同於超聲速流動的特點。

2研究簡史

高超聲速流動的理論研究, 始於20世紀40年代後期中國學者錢學森和郭永懷對高超聲速相似律(見空氣動力學小擾動理論)的研究。60年代中期是高超聲速流動無粘近似理論蓬勃發展的時期。高超聲速粘性流動理論是在一般邊界層理論基礎上,引進激波與邊界層相互干擾、邊界層傳熱傳質、化學反應、燒蝕等特點發展起來的。這些無粘和粘性流理論是在研究和製造高速飛行器的過程中逐步建立起來的。高超聲速流動數值研究在50年代後期開始勃興,在無粘流複雜流場計算和粘性流計算(包括有化學物理變化和燒蝕的數值研究)方面都取得重要進展。

3特點

高超聲速流動具有高馬赫數和大能量,因而具有許多重要特點。
流體動力特點和物理化學特點
高超聲速流動具有一些流體動力特點,如高超聲速繞流的激波層很薄;尖薄細長體繞流具有小擾動特點;鈍頭體駐點附近的流動具有常密度的近似特性等。這些特點可給無粘流理論分析提供簡化假設,但同時也帶來了超聲速流動所沒有的複雜性:在高超聲速流動中即使在小擾動條件下,無粘流的運動方程也不能線性化,強激波后的流場是有旋的非等熵流動,激波與邊界層相互干擾現象比較嚴重。高速大能量氣流經過激波的強烈壓縮而滯留下來,或者與物體表面發生強烈摩擦,氣體溫度可升高到數千開。在高溫下氣體分子受到激發,還會發生離解、電離、輻射等物理化學變化。物體表面在高溫條件下,發生材料燒蝕,形成複雜的多相流,出現嚴重的邊界層傳熱傳質現象。因此氣體介質的熱力學特性、輸運特性、能量傳遞和轉換以及與物體間的相互作用變得十分複雜。流體動力特點和物理化學特點雖然可以分開研究,但它們之間的相互作用是重要的。

4研究內容

主要有三個方面:
高超聲速粘性流動理論
主要研究激波與邊界層之間的相互干擾,邊界層傳熱傳質,介質的物理化學變化引起的熱力學特性和輸運性質及其變化規律,燒蝕,非平衡流動,高超聲速尾跡等等。物理化學變化對流動的影響往往是局部的,因此,不具備有關物理現象的知識也可得到無粘流場的基本特徵,但物理現象對流場的局部細節有強烈的影響,在極端的情況下,可能起著控制流場的作用。

高超聲速流動的實驗研究

用高超聲速風洞、激波管、電弧加熱器等實驗裝置研究流動規律、流動介質的變化以及氣體與物體間的相互作用。
對於重返大氣層物體進入高空比較稀薄的大氣層時的流動問題,要用稀薄氣體動力學的方法加以研究。對於具有高溫特點的高超聲速流動,要用高溫氣體動力學的方法加以研究

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