高超声速流动

高超声速流动是指流体的流动速度显著高于声速的一种流动状态。

研究简史

高超声速流动的理论研究始于20世纪40年代后期，由中国学者钱学森和郭永怀对高超声速相似律的研究开启。60年代中期，高超声速流动无粘近似理论得到了蓬勃发展。高超声速粘性流动理论是在一般边界层理论的基础上，结合了激波与边界层相互干扰、边界层传热传质、化学反应、烧蚀等特性发展起来的。这些理论是在研究和制造高速飞行器的过程中逐渐建立起来的。高超声速流动数值研究自50年代后期兴起，在无粘流复杂流场计算和粘性流计算（包括有化学物理变化和烧蚀的数值研究）方面均取得了重要进展。

特点

高超声速流动因其高马赫数和大能量而具备多种重要特点。其流动图像因飞行器的不同外形而异，钝头体高超声速绕流前有强烈的弓形激波，激波前为未扰动的气流，激波层薄且与物面之间形成高旋度流动，物体身后形成高超声速尾迹，流场内还有其他类型的内部激波或膨胀波。钝头细长体绕流流场更加复杂，激波紧贴物面，外形细长，靠近物面处为熵层，激波和熵层之间为一般高超声速流动。熵层为一很薄的剪切层，迅速被边界层吞没，在实验中难以识别。

流体动力特点和物理化学特点

高超声速流动具有流体动力特点，如激波层薄、尖薄细长体绕流的小扰动特点、钝头体驻点附近流动的常密度近似特性等。这些特点为无粘流理论分析提供了简化假设，但也带来了超声速流动所没有的复杂性。在高超声速流动中，即使在小扰动条件下，无粘流的运动方程也无法线性化，强激波后流场是非等熵流动，激波与边界层相互干扰现象明显。高速大能量气流经激波强烈压缩后滞留，或与物体表面产生剧烈摩擦，导致气体温度升至数千开尔文。高温下气体分子会受到激发，发生离解、电离、辐射等物理化学变化。物体表面在高温下会发生材料烧蚀，形成复杂的多相流，出现严重的边界层传热传质现象。因此，气体介质的热力学特性、输运特性、能量传递和转换以及与物体间的相互作用变得极为复杂。尽管流体动力特点和物理化学特点可以分别研究，但两者之间的相互作用至关重要。

研究内容

高超声速流动的研究主要包括三个领域：

高超声速无粘流动理论

这一领域的研究重点在于探索流动规律、流场参数以及飞行物体所受的作用力。相关的理论和方法包括高超声速小扰动理论（包括相似律）、薄激波层理论、驻点流动解、激波膨胀波法、钝头细长体绕流和熵层理论、绕流流场数值解和牛顿撞击理论等。

高超声速粘性流动理论

此领域的研究涉及激波与边界层之间的相互干扰、边界层传热传质、介质的物理化学变化引起的热力学特性和输运性质及其变化规律、烧蚀、非平衡流动、高超声速尾迹等。物理化学变化通常只影响局部流场，但在极端情况下可能会起到控制流场的作用。

高超声速流动的实验研究

通过使用高超声速风洞、激波管、电弧加热器等实验装置来研究流动规律、流动介质的变化以及气体与物体间的相互作用。此外，对于重返大气层物体进入高空稀薄大气层时的流动问题，需要用稀薄空气动力学方法研究。而对于具有高温特点的高超声速流动，则需要用高温气体动力学方法研究。

参考文献

W.D. 海斯、R.F. 普洛布斯坦著，严宗毅、孙菽芬译：《高超音速流理论》，第一卷，科学出版社，北京，1979。（W.D. Hayes and R.F. Probstein, Hypersonic Flow Theory, Vol. 1, Academic Press, New York, 1959.）

参考资料

气体动力基础-高超声速流动的特殊问题.人人文库.2024-11-20

篇外七、高超声速典型外形牛顿法-知乎.知乎.2024-11-20

高超声速空气动力学|基本特征-知乎.知乎.2024-11-20