Cbui9lder教程chapter

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1、第12章高超声速流动的特殊问题本章概述:物体的飞行速度远远大于周围介质的声速,而且出现一系列新特征的流动现象称为高超声速流动.高超声速空气动力学是近代空气动力学的一个分支，它研究高超声速流体或高温流体的运动规律及其与固体的相互作用。本章内容将介绍高超声速流动的基础知识，包括高超声速流动的基本特征，高超声速流动中的激波，高超声速流动中的气体动力、气动热以及高超声速边界层等问题。12.1高超声速流动的基本特征12.2高超声速流动中的激波关系式及流场性质12.3高超声速流动中的气动力和气动热12.4高超声速边

2、界层流动12.1高超声速流动的基本特征高超声速流动的定义有两种形式：（1）指马赫数M≥5的流动，这是一般教科书所采用的经验方法，并不能作为判据；（2）指某种高速流动范围。在此范围内，某些在超声速时并不显著的物理化学现象，由于马赫数的增大而变得重要了。两种定义形式比较:前者并不严格，但其优点是简单而直观，有助于初步建立高超声速空气动力学概念；后者比较逼真，但要理解这个定义，首先必须了解高超声速与超声速相比会出现哪些新的流动特征。1、流场的非线性性质M∞>>1的高超声速气流受到扰动时，即使扰动速度与来流速度

3、相比是十分微小的，但同声速相比可能并不小，因此微小的速度改变也会引起气流热力学参数相当大的变化。由理想一维流动的运动方程、完全气体状态方程和等熵关系式可得如下关系式：(12.1a)(12.1b)(12.1c)以上各式说明，当M>>1时，即使微小的速度变化也将引起气流压强、密度、温度和声速等参数发生相当大的变化。因此，我们就不能根据微弱扰动像超声速流那样采用小扰动假设使方程线性化了，而必须保留方程中的非线性项。高超声速流场的这种非线性性质，显然使扰流问题的理论研究更为复杂和困难。但是，由于马赫角随M数的增

4、加而减少，高超声速流中某些空气动力学问题与超声速时相比反而变得相对简单起来。2、薄激波层在高超声速流动中激波与物面之间的距离很小。激波与物面之间的流场称为激波层。高超声速绕物体流动的基本特征之一就是激波层很薄，而且，激波形状与物形往往很接近。例如，马赫数M∞=36绕半楔角为15的高超声速流动，假定气体为比热比γ=1.4的量热完全气体，按照理想气体斜激波理论，激波倾角仅为18，见图12.1。图12.1薄激波层如果计及高温化学反应的影响，激波角将更小。3、熵层高超声速飞行器都做成钝头部的原因:这是因为根据高

5、超声速层流边界层方程的自相似解，头部驻点处的对流传热与头部曲率半径的平方根成反比，将头部钝化可以减轻热载荷。熵层边界层d在高马赫数下，钝头上的激波层很薄，激波脱体距离d亦很小。在头部区域，激波强烈弯曲。我们知道，流体通过激波后引起熵增，激波越强，熵增越大。在流动的中心线附近，弯曲激波几乎与流线垂直，故中心线附近的熵增较大。距流动中心线较远处，激波较弱，相应的熵增也较少。因此，在头部区域形成了一层低密度、中等超声速、低能、高熵、大熵梯度的气流，称为“熵层”.该熵层向下游流动，并覆盖在物体上。沿物面增长的边

6、界层处于熵层之内，并受熵层影响，熵层处在激波层的内层.根据可压缩流动的Crocco定理可知，存在熵梯度的场必为有旋场，所以熵层为强旋涡区，有时把熵层影响称为“涡干扰”。4、粘性干扰以高超声速平板边界层为例。高速或高超声速流动具有很大的动能，在边界层内，粘性效应使流速变慢时，损失的动能部分转变为气体的内能，这称为粘性耗散，且随之边界层内的温度升高。这种温度升高控制了高超声速边界层的特征:气体的粘性系数随温度升高而增大，其结果使得边界层变厚；另外，边界层内的法向压力p为常数。由状态方程ρ=p/RT可知，温度

7、增加导致密度减小，对边界层内的质量流而言，密度减小需要较大的面积，其结果也是使边界层变厚。这两种现象的联合作用，使得高超声速边界层的增长比低速情形更为迅速。高超声速流动的边界层较厚,相应的位移厚度也较大，由此对边界层外的无粘流动将施加较大的影响，使外部无粘流动发生很大改变，这一改变反过来又影响边界层的增长。这种边界层与外部无粘流动之间的相互作用称为粘性干扰。粘性干扰对物面的压力分布有重要影响，由此，对高超声速飞行器的升力、阻力和稳定性都造成重要影响,同时使物面摩擦力和传热率增大。高速或高超声速流动的动能

8、被边界层内的摩擦效应所消耗，极大的粘性耗散使得高超声速边界层内的温度非常高，足以激发分子内的振动能，并引起边界层内的气体离解，甚至电离。如果高超声速飞行器表面用烧蚀防热层保护，那么，边界层中将有烧蚀产物，并引起复杂的碳氢化合反应。基于这两个原因，高超声速飞行器表面将被化学反应边界层所覆盖。在高超声速飞行器上，不仅有高温边界层流动区，对钝头飞行器而言，还有头部高温区。钝头飞行器头部的弓形激波是正激波或接近于正激波。在高超声速情况下，这种强激波