正文

從氣體動力學(xué)中發(fā)展出來的一門學(xué)科，研究高溫氣體流動規(guī)律和流動中氣體產(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。高溫氣體動力學(xué)是在20世紀(jì)50年代研究高超聲速飛行中因氣動加熱而產(chǎn)生的所謂“熱障”問題和噴氣推進中的燃燒等問題的過程中產(chǎn)生的。高溫氣體動力學(xué)與理想氣體動力學(xué)（見空氣動力學(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；流動中的傳熱、擴散、化學(xué)反應(yīng)、電磁和輻射效應(yīng)不能忽略。研究中要把氣體動力學(xué)同熱力學(xué)、統(tǒng)計物理、分子物理、化學(xué)動力學(xué)以及電磁學(xué)等結(jié)合起來。實驗研究也要用到物理、化學(xué)、氣體動力學(xué)等實驗技術(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、電子和氣體動力學(xué)等多方面的測量技術(shù)。因此，它是一門復(fù)雜的邊緣學(xué)科。它的研究內(nèi)容主要有下述幾個方面：高溫氣體流動中，氣體分子內(nèi)部各種能級的激發(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的規(guī)律；高溫氣體狀態(tài)方程；高溫氣體流動中能量的傳遞和轉(zhuǎn)化過程等。分述如下：

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

高溫氣體動力學(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)部各種能級都受到激發(fā)，也會出現(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)所需要的時間，稱為弛豫時間。強激波后面的氣體要經(jīng)過一個弛豫區(qū)域才能達到熱力學(xué)平衡(圖2),對于分子各種能級的激發(fā)和離解過程來說，平動和轉(zhuǎn)動最易達到平衡，振動次之，離解最慢。在此過程中，氣體的平動溫度也隨著發(fā)生變化。對流動而言，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，流動可以是平衡的、非平衡的或凍結(jié)的流動(見非平衡流動)。

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)計物理和一系列化學(xué)、物理基本數(shù)據(jù)來計算。直接的實驗測定相當(dāng)困難，但間接的實驗表明，計算結(jié)果有相當(dāng)高的準(zhǔn)確度。特別對于平衡態(tài)的熱力學(xué)參量，已有不少可用的氣體熱力性質(zhì)表。在各個參量范圍內(nèi)，已有各種近似的狀態(tài)方程和參量表達式。例如高溫空氣的一種簡單的近似狀態(tài)方程是巴德方程：其中

高溫氣體動力學(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　激波層氣體對飛行器表面有強烈傳熱作用。在繞地球軌道上運動的物體再入大氣層時，對流傳熱是主要的。高溫氣體對流傳熱的計算要考慮化學(xué)反應(yīng)邊界層。目前，已得出計算各種傳熱的公式。有些速度極高的飛行器，如進入木星大氣層的探測器，速度高達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)和物理模型計算出來，并用激波管、電弧等實驗方法加以驗證。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，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。計算和測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流場參量以利通訊，也是高溫氣體動力學(xué)的研究內(nèi)容。

除上述提及的內(nèi)容外，高溫氣體動力學(xué)還有其他方面廣泛的實際應(yīng)用。火箭發(fā)動機的燃燒室流動和噴管流動是有化學(xué)反應(yīng)的高溫高速流動的很好例子。在氣動-化學(xué)激光器或放電流動激光器中，主要的氣動問題就屬于非平衡的、有各種分子和原子能級激發(fā)和轉(zhuǎn)換的、有電磁波輻射的高溫氣體動力學(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、對物質(zhì)的作用等問題。[1]

參考書目

維塞特、小克魯格著,《物理氣體動力學(xué)引論》翻譯小組譯:《物理氣體動力學(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.