空气离解的高超声速平板边界层流动稳定性分析

摘要

飞行器以高超声速飞行时，由于存在着激波及固体壁面附近边界层内速度减小气体温度升高，当温度较高，如，一个大气压，温度超过2500K以上时，空气中氧、氮分子将相继发生离解等化学反应，空气的组分及热物性参数值将随压力和温度而变化。热物性参数值的变化对流动稳定性、气动力和气动热的影响情况需要研究。 本文首先对空气离解的热物性参数计算方法开展研究。针对只考虑氧、氮分子离解的四组分模型，建立了离解度满足的方程，得到了热物性参数与离解度之间的关系。对其它更多组分情况，即，除了离解外，还有电离等反应时，则采用传统平衡常数法提出了热物性参数计算的解析方法，并与已有的热物性参数表和拟合方法的结果进行了比较。研究了不同组元模型对热物性参数值的影响。在此基础上，计算了空气离解的高超声速平板边界层的基本流，进行了流动稳定性分析，还对壁面热流和壁面摩擦阻力系数等进行计算分析。得到的主要结论如下： 1、离解度方法对于只发生空气离解热物性参数的计算结果是可靠的，该方法简单、直观。氧分子和氮分子的离解度是温度和压力的函数。当压力相同时，随着温度的升高，离解度与压缩因子值增加；当温度相同时，压力越高，离解度和压缩因子越低。 2、针对五组分以上的情况，采用平衡常数法建立了离解空气热物性参数随温度和压力的关系，提出了解析方法可计算任何温度和压力下，离解空气的热物性参数值。 3、采用不同组元模型计算热物性参数比较发现，对于压力0.01~1atm，温度范围不同可采用不同的组元模型，所得热物性参数值的结果一致。如，温度低于4000K时，采用五组元模型；温度在4000-6500K范围内，采用七组元模型；温度超过6500K，采用十三组元模型。 4、虑空气离解，高超声速平板边界层流动仍存在相似性解。与量热完全气体的结果比较发现，空气离解的边界层基本流剖面、流动稳定性特性以及壁面热流和摩阻系数均有较大不同。空气离解使得边界层厚度减小，温度降低。考虑空气离解的第二模态波不稳定性向低频方向移动，频带变窄，增长率曲线向上游移动，并且增长率的峰值增大。空气离解使得壁面热流降低，摩阻系数增大。

目录

声明

字母注释表

第一章 绪 论

1.2空气离解

1.3考虑空气离解稳定性分析

1.4本文的工作

第二章 离解度计算离解空气热物性参数

2.2离解度与空气组元占比的关

2.3离解度与空气组元占比的关

2.3.3比热容

2.3.4声速

2.4离解度方法计算结果与分析

2.4.2一个标准大气压下热物性参数计算结果

2.4.3不同压力条件下热物性参数计算结果

2.5本章小结

第三章 平衡常数计算离解气体热物性参数

3.2平衡常数方程组

3.3不同组元模型计算结果与分析

3.3.2四、五组元模型与参数表和拟合曲线结果的比较

3.3.3不同压力下五、七组元模型计算结果

3.3.4不同压力下九、十一组元模型计算结果

3.3.5不同压力下七、九组元模型计算结果

3.3.6不同压力下九、十三组元模型计算结果

3.4本章小结

第四章 考虑空气离解的高超声速平板边界层稳定性分析

4.1.2可压缩层流边界层方程及相似解

4.2离解空气对基本流的影响

4.2.2基本流剖面的比较

4.3考虑空气离解稳定性分析

4.3.1等温壁面（Tw=1000K）

4.3.2绝热壁面

4.4考虑空气离解对壁面热流和摩阻系数的影响

第五章 结论与展望

参考文献

附录

发表论文和参加科研情况说明

致谢