关于边界层传热传质介绍

[拼音]：bianjieceng chuanre chuanzhi

[外文]：mass and heat transfer in boundary layer flows

物体与气流作高速相对运动时，在紧贴物面的边界层中，气体的温度和速度等会发生剧烈变化，并常伴随出现热和质量交换的现象。这种现象称为边界层传热传质。运动速度愈高，这种交换愈剧烈。高速闯入大气层的流星体就是例子。再入大气层的航天器的表面和喷气发动机的内部也存在边界层传热传质现象。这种现象直接影响有关部件的设计，因而是高速空气动力学的一个重要研究内容。

高速气流在物体表面会产生剧烈温度变化的主要原因是：由于粘性作用，高速运动的气流在边界层内被物体表面减速，气体动能转化成热能，被减速的部分气体温度剧增并达到远高于物体表面的温度，于是热量便由物体表面传入物体内部。滞止压力为一个大气压力。所谓滞止压力是指在气流压缩时其熵不增加的情况下，气流减速到静止时的压力，相应的温度为滞止温度。对于不同飞行速度，空气可达到的滞止温度值见下表。由表可见，高速飞行器表面的传热现象很显著。

除了气流的速度以外，影响边界层传热的还有下列几种因素：

（1）气流成分和化学状态：不同的气体有不同的热力学性质和输运性质，在高温下有不同的化学反应和反应速率，从而产生不同的热效应。

（2）绕流物体的形状：不同形状的物体，表面压力分布不同，边界层内气体流动的状态也不同。

（3）边界层的流态：边界层有两种基本流态，层流和湍流。如果其他条件相同，湍流的热交换比层流大得多。

（4）表面光滑度：在同样的情况下，粗糙表面的热交换比光滑表面剧烈得多。

（5）表面有否质量交换：由于高速飞行器表面和喷气发动机内壁温度很高，一般材料会被熔化和烧穿，所以采用防护手段。防护手段一般都采用质量交换的方法。如“发汗冷却”法，使能气化吸热的物质泄出物体表面，气化产生的气体起着一层低温隔热气垫的作用，使整个边界层变厚，温度变化变缓，减少气流传热。“烧蚀”法防热的原理也与此类似。

研究上述因素对边界层传热的影响是边界层传热传质的重要研究课题。高速气流在边界层内因粘性作用被物体表面减速，气流给物体的反作用则形成摩擦阻力。摩擦阻力、传热、传质现象实质上反映边界层中动量、能量、质量交换的过程。在一定条件下，三者有相似性，这种相似性常被用来简化传热传质的理论计算。研究边界层传热传质的主要理论方法是高速边界层理论及其有关数值计算方法。随着计算机的发展，也可直接从纳维－斯托克斯方程求解边界层传热问题。风洞实验、d道靶实验和模型飞行试验等是研究这一问题的主要实验手段。

参考书目

1. J.P.Hartnett， et al.， Recent Advances in Heatand Mass Transfer，McGraw-Hill，New York，1961.