高温氣體動力學

從氣體動力學中發展出來的一門學科，研究高温氣體流動規律和流動中氣體產生的高温所引起的氣體各種物理化學變化、能量傳遞和轉化規律。高温氣體動力學是在20世紀50年代研究高超聲速飛行中因氣動和熱而產生的所謂“熱障”問題和噴氣推進中的燃燒等問題的過程中產生的。高温氣體動力學與理想氣體動力學（見空氣動力學）的主要差別是：氣體比熱不再是常數；在很多情況下，完全氣體狀態方程不再適用；流動中的傳熱、擴散、化學反應、電磁和輻射效應不能忽略。研究中要把氣體動力學同熱力學、統計物理、分子物理、化學動力學以及電磁學等結合起來。實驗研究也要用到物理、化學、氣體動力學等實驗技術，使用高温激波管和電弧加熱器等多種設備以及光譜、激光、電子和氣體動力學等多方面的測量技術。因此，它是一門複雜的邊緣學科。它的研究內容主要有下述幾個方面：高温氣體流動中，氣體分子內部各種能級的激發和氣體中電離、離解、化學反應等物理化學變化的規律以及伴隨有這些變化的流動的規律；高温氣體狀態方程；高温氣體流動中能量的傳遞和轉化過程等。分述如下：

①遠程彈道導彈、載人航天飛船等高超聲速飛行器重返大氣層時，空氣相對於飛行器的速度超過7千米/秒，流場概況如圖1所示。飛行器前方形成強激波，波後氣體處於高焓高温狀態。對應於7千米/秒飛行速度的空氣，總比焓h₀（h₀≈

v²，v為飛行速度）的值為24.5兆焦耳/千克。在這種條件下，激波層內氣體分子內部各種能級都受到激發，也會出現離解、電離和輻射等現象。這些過程從發生到新的平衡態所需要的時間，稱為弛豫時間。強激波後面的氣體要經過一個弛豫區域才能達到熱力學平衡（圖2），對於分子各種能級的激發和離解過程來説，平動和轉動最易達到平衡，振動次之，離解最慢。在此過程中，氣體的平動温度也隨着發生變化。對流動而言，隨着流速、温度、壓力的變化，氣體中不斷髮生着各種化學反應。根據反應速度和流速比值大小，流動可以是平衡的、非平衡的或凍結的流動（見非平衡流動）。

圖1 高超聲速飛行體周圍流場概況

圖2 強激波後面的氣體温度分佈

②由於高温氣體中存在上述各種複雜的物理化學變化，經典的完全氣體狀態方程已不再適用，需要研究並給出熱力學狀態參量間所應滿足的關係。高温氣體的狀態參量可根據化學熱力學、統計物理和一系列化學、物理基本數據來計算。直接的實驗測定相當困難，但間接的實驗表明，計算結果有相當高的準確度。特別對於平衡態的熱力學參量，已有不少可用的氣體熱力性質表。在各個參量範圍內，已有各種近似的狀態方程和參量表達式。例如高温空氣的一種簡單的近似狀態方程是巴德方程：

其中α=0.70+0.0411g（

），式中p為壓力；ρ為密度；h 為比焓；下標“r”表示在參考狀態下的相應值（即p_r=101325帕，ρ_r=0.160千克/米，h_r=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，高温氣體對流傳熱的計算要考慮化學反應邊界層。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，高温氣體的輻射傳熱就成為主要的了。高温氣體輻射性能的基本數據，可根據分子和原子的光譜數據和物理模型計算出來，並用激波管、電弧等實驗方法加以驗證。由這些數據和氣體的成分及狀態參量可以估算對飛行器的輻射加熱量。

在很高温度下，氣體分子電離成等離子體。這時，電磁效應不可忽略。高速飛行器周圍形成的等離子體鞘（見激皮層），對電磁波通訊有很大的影響。若電磁波的頻率小於等離子體頻率，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，以及採取有效措施改進流場參量以利通訊，也是高温氣體動力學的研究內容。

除上述提及的內容外，高温氣體動力學還有其他方面廣泛的實際應用。火箭發動機的燃燒室流動和噴管流動是有化學反應的高温高速流動的很好例子。在氣動-化學激光器或放電流動激光器中，主要的氣動問題就屬於非平衡的、有各種分子和原子能級激發和轉換的、有電磁波輻射的高温氣體動力學問題。在等離子技術研究中，也涉及高温氣體的產生、流動、對物質的作用等問題。

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

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