什么是气动热力学?

什么是气动热力学?

[拼音]：qidong relixue

[外文]：aerothermodynamics

空气动力学的一个分支。研究高温气体或气体成分变化时的流动和气体与物体的相互作用。它是高超音速飞行器和发动机气动设计、防热设计的重要理论基础。空气动力学在传统上研究气体的热力学状态和与海平面标准大气条件相差不多的流动。这时气体的压力、温度和密度的关系遵循完全气体状态方程，气体的其他性质如比热、粘性、导热率等都假定为常数。而在气动热力学中，它们不再是常数，在许多情况下作为单一完全气体状态方程已不再适用。气体的流动性质依赖于它的温度和成分，在分析高温或气体成分有变化的流动时，须同时考虑热力和动力现象。气动热力学是发展中的边缘学科，它把空气动力学与热力学、物理力学、化学动力学和电磁学结合起来。

高速边界层的传热和传质

高速运动的气流在边界层内被物体滞留，气体动能转化为热能，被减速的部分气体温度剧增到远高于物面温度值，因而热量传入物体。除气流速度外，气流成分和化学状态、物体的形状、材料和表面光滑程度、边界层流态和质量传递都会影响边界层传热。一般来说，湍流热流比层流热流大得多，粗糙表面的热流也比光滑表面大。再入大气层的飞行器表面和火箭发动机内壁，常采用烧蚀或发汗冷却等防热方法（见烧蚀防热）。在恶劣天气条件下，再入d头的天气侵蚀和固体火箭发动机喷管中流动，还涉及两相流中复杂的传热传质问题。

烧蚀与流场的耦合影响

烧蚀、侵蚀引起的外形变化和质量注入边界层，都会影响再入d头的气动性能，特别是由不对称端头外形产生的小的不对称气动力和d头加工造成的质量和惯量的不对称，合在一起可能导致d头发生滚动共振，由于迎角剧增而毁坏，或发生滚速过零造成较大的落点散布。在确定烧蚀外形时还需要考虑激波形状、压力分布、边界层转捩、表面粗糙度和质量注入等因素。

真实气体效应

在室温下气体分子只能进行平移和转动运动，随着温度增加，开始出现振动，最后分子内部的约束被破坏而分解，而在更高的温度下将出现电离现象。这些过程从发生到新的平衡以及组元之间的化学反应，都需要一定的时间，称为松弛时间。根据气体运动的宏观特征时间与松弛时间之比的三种情况（很大、接近于1和很小），可将流动分成平衡流动、非平衡流动和冻结流动。对于冻结流动气体的特性与完全气体一样。非完全气体的状态参数可根据物理力学进行计算，对于平衡状态的热力学参数，已有不少可用的气体热力性质表。对于非平衡流动，必须计及全部可能的组元，因而与一切可能的化学过程和起主导作用的反应速率有关。真实气体效应不仅对传热有显著的影响，而且对于具有复杂外形的航天飞机的俯仰力矩也有明显的影响。另外，在高温运行的风洞气流中，也常出现非平衡流动。

电磁效应

气体分子在高温下被电离成等离子体，在再入飞行器周围形成等离子鞘套。当电磁波的频率小于等离子体频率时，电磁波被界面反射而不能穿过，从而出现通信中断现象，称为黑障。已经证实，烧蚀产物将增加鞘套中的电子密度。所以必须在气动外形和材料等方面采取有效的措施以降低电子密度。为了有效地识别和跟踪再入飞行器，必须研究等离子鞘套和尾迹的电磁特性及其对雷达波传播的影响。其中，要确定的最重要的参数是电子密度值和碰撞频率随时间和向后距离的衰减速率。

辐射效应

进入其他行星大气层的飞行器的飞行速度很高，如木星探测器的速度高达48公里/秒，因而在高温气体的传热中辐射传热成为主要的因素。其他行星的大气组成与地球完全不同，如金星、火星的大气大部分都是二氧化碳。气体组成的变化对于对流传热的影响不大，但对辐射传热的影响却很大。辐射性能的基本数据，已能在激波管实验的基础上根据分子和原子的光谱数据和物理模型计算出来，然后再根据这些数据和气体的成分及状态参数估算出辐射传热。

发动机气动热力学

对于喷气发动机，气动热力学需要解决的问题是：由高温气体分解而引起的进气道能量损失；高温叶栅绕流和对叶片的传热；燃料和氧化剂的扩散和混合；具有复杂化学反应和高湍流度的燃烧火焰的稳定性；具有燃烧产物的高温高压气体在喷管中膨胀过程的效率；高温气体对喷管特别是喉道附近的传热。

气动热力学的研究，在理论上可以利用计算机求解边界层方程或精确的和各种简化的纳维尔－斯托克斯方程（见计算空气动力学），但在解决实际问题时也经常采用工程计算方法和关联实验数据的经验公式。在实验方面，可以综合使用高超音速风洞、激波管和激波风洞、d道靶、电弧加热设备和燃气流装置等进行地面模拟试验（见超高速实验设备），并在这一基础上配合进行必要的飞行试验。

参考书目

多兰斯著，张仲寅译：《高超声速粘流》，国防工业出版社，北京，1966。（W. H. Dorrence，Viscous Hypersonic Flow，McGraw-Hill，New York，1962.)维塞特、小克鲁格著，《物理气体动力学引论》翻译组译：《物理气体动力学引论》，科学出版社，北京，1978。(W.G.Vincenti，G.H.Kruger，Jr.， Introduction to Physical Gas Dynamics， John Wiley， New York，1965.)