正文

從氣體動(dòng)力學(xué)中發(fā)展出來的一門學(xué)科，研究高溫氣體流動(dòng)規(guī)律和流動(dòng)中氣體產(chǎn)生的高溫所引起的氣體各種物理化學(xué)變化、能量傳遞和轉(zhuǎn)化規(guī)律。高溫氣體動(dòng)力學(xué)是在20世紀(jì)50年代研究高超聲速飛行中因氣動(dòng)加熱而產(chǎn)生的所謂“熱障”問題和噴氣推進(jìn)中的燃燒等問題的過程中產(chǎn)生的。高溫氣體動(dòng)力學(xué)與理想氣體動(dòng)力學(xué)（見空氣動(dòng)力學(xué)）的主要差別是：氣體比熱不再是常數(shù)；在很多情況下，完全氣體狀態(tài)方程不再適用；流動(dòng)中的傳熱、擴(kuò)散、化學(xué)反應(yīng)、電磁和輻射效應(yīng)不能忽略。研究中要把氣體動(dòng)力學(xué)同熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理、分子物理、化學(xué)動(dòng)力學(xué)以及電磁學(xué)等結(jié)合起來。實(shí)驗(yàn)研究也要用到物理、化學(xué)、氣體動(dòng)力學(xué)等實(shí)驗(yàn)技術(shù)，使用高溫激波管和電弧加熱器等多種設(shè)備以及光譜、激光、電子和氣體動(dòng)力學(xué)等多方面的測(cè)量技術(shù)。因此，它是一門復(fù)雜的邊緣學(xué)科。它的研究?jī)?nèi)容主要有下述幾個(gè)方面：高溫氣體流動(dòng)中，氣體分子內(nèi)部各種能級(jí)的激發(fā)和氣體中電離、離解、化學(xué)反應(yīng)等物理化學(xué)變化的規(guī)律以及伴隨有這些變化的流動(dòng)的規(guī)律；高溫氣體狀態(tài)方程；高溫氣體流動(dòng)中能量的傳遞和轉(zhuǎn)化過程等。分述如下：

①　遠(yuǎn)程彈道導(dǎo)彈、載人航天飛船等高超聲速飛行器重返大氣層時(shí)，空氣相對(duì)于飛行器的速度超過7千米／秒，流場(chǎng)概況如圖1所示。飛行器前方形成強(qiáng)激波，波后氣體處于高焓高溫狀態(tài)。對(duì)應(yīng)于7千米／秒飛行速度的空氣，總比焓

高溫氣體動(dòng)力學(xué)

的值為 24.5兆焦耳／千克。在這種條件下，激波層內(nèi)氣體分子內(nèi)部各種能級(jí)都受到激發(fā)，也會(huì)出現(xiàn)離解、電離和輻射等現(xiàn)象。這些過程從發(fā)生到新的平衡態(tài)所需要的時(shí)間，稱為弛豫時(shí)間。強(qiáng)激波后面的氣體要經(jīng)過一個(gè)弛豫區(qū)域才能達(dá)到熱力學(xué)平衡(圖2),對(duì)于分子各種能級(jí)的激發(fā)和離解過程來說，平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)最易達(dá)到平衡，振動(dòng)次之，離解最慢。在此過程中，氣體的平動(dòng)溫度也隨著發(fā)生變化。對(duì)流動(dòng)而言，隨著流速、溫度、壓力的變化，氣體中不斷發(fā)生著各種化學(xué)反應(yīng)。根據(jù)反應(yīng)速度和流速比值大小，流動(dòng)可以是平衡的、非平衡的或凍結(jié)的流動(dòng)(見非平衡流動(dòng))。

②　由于高溫氣體中存在上述各種復(fù)雜的物理化學(xué)變化，經(jīng)典的完全氣體狀態(tài)方程已不再適用，需要研究并給出熱力學(xué)狀態(tài)參量間所應(yīng)滿足的關(guān)系。高溫氣體的狀態(tài)參量可根據(jù)化學(xué)熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理和一系列化學(xué)、物理基本數(shù)據(jù)來計(jì)算。直接的實(shí)驗(yàn)測(cè)定相當(dāng)困難，但間接的實(shí)驗(yàn)表明，計(jì)算結(jié)果有相當(dāng)高的準(zhǔn)確度。特別對(duì)于平衡態(tài)的熱力學(xué)參量，已有不少可用的氣體熱力性質(zhì)表。在各個(gè)參量范圍內(nèi)，已有各種近似的狀態(tài)方程和參量表達(dá)式。例如高溫空氣的一種簡(jiǎn)單的近似狀態(tài)方程是巴德方程：其中

高溫氣體動(dòng)力學(xué)

式中p為壓力;ρ為密度；h為比焓；下標(biāo)“r”表示在參考狀態(tài)下的相應(yīng)值（即pr＝101325帕,ρr＝0.160千克/米3，hr＝2.5兆焦耳／千克）。

③　激波層氣體對(duì)飛行器表面有強(qiáng)烈傳熱作用。在繞地球軌道上運(yùn)動(dòng)的物體再入大氣層時(shí)，對(duì)流傳熱是主要的。高溫氣體對(duì)流傳熱的計(jì)算要考慮化學(xué)反應(yīng)邊界層。目前，已得出計(jì)算各種傳熱的公式。有些速度極高的飛行器，如進(jìn)入木星大氣層的探測(cè)器，速度高達(dá)48千米／秒，高溫氣體的輻射傳熱就成為主要的了。高溫氣體輻射性能的基本數(shù)據(jù)，可根據(jù)分子和原子的光譜數(shù)據(jù)和物理模型計(jì)算出來，并用激波管、電弧等實(shí)驗(yàn)方法加以驗(yàn)證。由這些數(shù)據(jù)和氣體的成分及狀態(tài)參量可以估算對(duì)飛行器的輻射加熱量。

在很高溫度下，氣體分子電離成等離子體。這時(shí)，電磁效應(yīng)不可忽略。高速飛行器周圍形成的等離子體鞘(見激波層),對(duì)電磁波通訊有很大的影響。若電磁波的頻率小于等離子體頻率，則電磁波在界面將受到反射而不能通過。計(jì)算和測(cè)量等離子體鞘中的電子密度等參量，以及采取有效措施改進(jìn)流場(chǎng)參量以利通訊，也是高溫氣體動(dòng)力學(xué)的研究?jī)?nèi)容。

除上述提及的內(nèi)容外，高溫氣體動(dòng)力學(xué)還有其他方面廣泛的實(shí)際應(yīng)用?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室流動(dòng)和噴管流動(dòng)是有化學(xué)反應(yīng)的高溫高速流動(dòng)的很好例子。在氣動(dòng)-化學(xué)激光器或放電流動(dòng)激光器中，主要的氣動(dòng)問題就屬于非平衡的、有各種分子和原子能級(jí)激發(fā)和轉(zhuǎn)換的、有電磁波輻射的高溫氣體動(dòng)力學(xué)問題。在等離子技術(shù)研究中，也涉及高溫氣體的產(chǎn)生、流動(dòng)、對(duì)物質(zhì)的作用等問題。[1]

參考書目

維塞特、小克魯格著,《物理氣體動(dòng)力學(xué)引論》翻譯小組譯:《物理氣體動(dòng)力學(xué)引論》,科學(xué)出版社，北京,1978。（W.G.Vincenti and C.H. Kruger,Jr., Introduction to Physical Gasmics, John Wiley & Sons, New York,1965.)

T.von Kármán, From Low Speed Aerod ynamics to Astronautics,Pergamon Press,New York,1963.

Shih-I Pai,Radiation on Gas Dynamics,Springer-Verlag,New York,1966.