关于高超声速流动介绍

[拼音]：gaochaoshengsu liudong

[外文]：hypersonic flow

流体的流动速度远大于声速的流动。对于细长体，一般指来流马赫数≥5的流动。高超声速流动有许多不同于超声速流动的特点。

研究简史

高超声速流动的理论研究， 始于20世纪40年代后期中国学者钱学森和郭永怀对高超声速相似律（见空气动力学小扰动理论）的研究。60年代中期是高超声速流动无粘近似理论蓬勃发展的时期。高超声速粘性流动理论是在一般边界层理论基础上，引进激波与边界层相互干扰、边界层传热传质、化学反应、烧蚀等特点发展起来的。这些无粘和粘性流理论是在研究和制造高速飞行器的过程中逐步建立起来的。高超声速流动数值研究在50年代后期开始勃兴，在无粘流复杂流场计算和粘性流计算(包括有化学物理变化和烧蚀的数值研究)方面都取得重要进展。

特点

高超声速流动具有高马赫数和大能量，因而具有许多重要特点。

高超声速飞行器基本外形有钝头体、尖薄细长体和钝头细长体等几种。对应于这些不同外形的绕流流动图案是十分复杂的。对于钝头体高超声速绕流，在钝头体前有一道强烈的弓形激波，激波前为未经扰动的气流，激波层很薄，激波与物面之间形成高旋度的流动，物体身后形成高超声速尾迹，在流场内尚有各种内伏激波或膨胀波（见压缩波）。钝头细长体绕流流场更为复杂，激波紧接物面，外形细长，靠近物面为一熵层，激波和熵层之间为一般高超声速流动。熵层为一很薄的剪切层，它顺着流动方向较快地淹没于边界层之中，在实验中较难辨认。

高超声速流动具有一些流体动力特点，如高超声速绕流的激波层很薄；尖薄细长体绕流具有小扰动特点；钝头体驻点附近的流动具有常密度的近似特性等。这些特点可给无粘流理论分析提供简化假设，但同时也带来了超声速流动所没有的复杂性：在高超声速流动中即使在小扰动条件下，无粘流的运动方程也不能线性化，强激波后的流场是有旋的非等熵流动，激波与边界层相互干扰现象比较严重。高速大能量气流经过激波的强烈压缩而滞留下来，或者与物体表面发生强烈摩擦，气体温度可升高到数千开。在高温下气体分子受到激发，还会发生离解、电离、辐射等物理化学变化。物体表面在高温条件下，发生材料烧蚀，形成复杂的多相流，出现严重的边界层传热传质现象。因此气体介质的热力学特性、输运特性、能量传递和转换以及与物体间的相互作用变得十分复杂。流体动力特点和物理化学特点虽然可以分开研究，但它们之间的相互作用是重要的。

研究内容

主要有三个方面：

主要研究流动规律、流场参量和飞行物体所受的作用力。基本的理论和方法是：高超声速小扰动理论（包括相似律），薄激波层理论，驻点流动解，激波膨胀波法，钝头细长体绕流和熵层理论，绕流流场数值解和牛顿撞击理论等等。

主要研究激波与边界层之间的相互干扰，边界层传热传质，介质的物理化学变化引起的热力学特性和输运性质及其变化规律，烧蚀，非平衡流动，高超声速尾迹等等。物理化学变化对流动的影响往往是局部的，因此，不具备有关物理现象的知识也可得到无粘流场的基本特征，但物理现象对流场的局部细节有强烈的影响，在极端的情况下，可能起着控制流场的作用。

用高超声速风洞、激波管、电弧加热器等实验装置研究流动规律、流动介质的变化以及气体与物体间的相互作用。

对于重返大气层物体进入高空比较稀薄的大气层时的流动问题，要用稀薄气体动力学的方法加以研究。对于具有高温特点的高超声速流动，要用高温气体动力学的方法加以研究。

参考书目

1. W.D. 海斯、R.F. 普洛布斯坦著，严宗毅、孙菽芬译：《高超音速流理论》，第一卷，科学出版社，北京，1979。(W.D. Hayesand R.F. Probstein， H ypersonic Flow Theory，Vol.1，Academic Press，New York，1959.)