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高超聲速真實氣體流動 版權信息
- ISBN：9787030743404
- 條形碼：9787030743404 ; 978-7-03-074340-4
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
高超聲速真實氣體流動 內容簡介
本書是一本現代氣體動力學手冊，重點是超聲速流動、特別是高超聲速流動。本書主題包括兩個：無粘氣體動力學和粘性氣體動力學。無粘氣體動力學的闡述幾乎貫穿整個專著，粘性流動理論僅在應用于高空大氣中的高超聲速飛行時進行了主要概述。伴隨著高溫的高超聲速飛行，通常會發生各種物理和化學反應過程,比如離解、電離、輻射；他們背后的原因正是本書主要講述的氣體--真實氣體。該書圍繞氣體動力學方程的基本體系設想、構造有特定功能的附加方程，從而構建真實氣體流動的一般氣體動力學理論。作者試圖避免繁瑣的近似方法，通過參考一些簡單、可分析的例子、應用相似律和漸近分析方法，讓讀者了解一般模式的思想、典型流動特征以及這些流動的真實氣體效應。
高超聲速真實氣體流動 目錄
目錄
前言
第1章 氣動模型和氣體流動方程 1
1.1 氣動模型概述 1
1.2 一維流動的氣體動力學方程和假設 7
1.2.1 動量守恒定律 8
1.2.2 能量守恒定律 9
1.3 狀態方程 11
1.4 若干分子動力學理論知識 18
1.5 熵和熱力學第二定律 24
1.6 聲速 27
1.7 流體和氣體運動的積分方程：一個簡單的例子 32
1.7.1 質量守恒定律 33
1.7.2 動量守恒定律 33
1.7.3 能量方程 33
1.8 流體介質運動學的若干問題：向量微分算子 39
1.8.1 粒子軌跡和流線 39
1.8.2 旋度和變形率 40
1.8.3 矢量散度 44
1.8.4 向量對的散度 46
1.9 氣體動力學微分方程 46
1.9.1 質量守恒或連續方程 46
1.9.2 動量方程：黏性應力場 47
1.9.3 能量方程 48
1.10 牛頓流體和氣體的流變模型 50
1.11 初始條件和邊界條件55
1.11.1 邊界條件 56
1.11.2 氣體動力學問題解的存在性和唯一性 57
1.12 氣體動力學的相似性和建！58
1.12.1 **種方法：無黏理想氣體 58
1.12.2 第二種方法：相似理論 59
1.12.3 真實氣體 62
1.12.4 非定常流 62
1.12.5 重液體中的物體運動 63
1.12.6 自相似性問題 64
1.13 曲線坐標系：歐拉方程 64
1.13.1 其他算子 65
1.13.2 圓柱坐標系 66
1.13.3 球坐標系 67
1.13.4 平面和軸對稱流動的貼體坐標系 68
1.13.5 一般坐標系 70
1.14 曲線坐標中的Navier-Stokes方程 72
1.15 湍流流動 75
1.16 黏性和非黏性流動模型 78
第2章 無黏氣體動力學：一般問題和簡單解 81
2.1 流函數、勢和渦 81
2.1.1 旋度和速度環量 82
2.1.2 速度勢 84
2.2 氣體動力學方程積分 85
2.2.1 定常絕熱流動 86
2.2.2 正壓氣體的絕熱勢流 87
2.3 一維穩態流動 90
2.3.1 一般方程和馬赫數的作用 90
2.3.2 拉伐爾噴管：等熵流動 92
2.3.3 熱噴流 95
2.3.4 變流量噴管 95
2.4 氣體動力學線性方程 96
2.5 聲波傳播 99
2.6 非線性效應：膨脹扇和激波 102
2.7 定常細長體繞流：相似律 104
2.7.1 相似律 106
2.7.2 非定常比擬 109
2.8 超聲速流動中的細長體 110
2.8.1 平面流動 110
2.8.2 軸對稱問題 112
2.9 細長體亞聲速繞流 116
2.10 圓柱、球和其他不可壓縮繞流體 123
2.11 駐點和奇異線 128
2.11.1 平面有旋和無旋流 128
2.11.2 軸對稱流動 129
2.11.3 兩對稱平面 130
2.11.4 正壓梯度駐點 131
2.11.5 不可壓縮楔形繞流 132
2.11.6 奇異面和奇異線 133
2.12 亞聲速流動作用力 134
2.13 空氣動力學特性 139
2.14 物體加速運動 142
第3章 激波 145
3.1 引言：問題的公式表達 145
3.2 黏性氣體中的激波結構 147
3.3 完全氣體中的正激波149
3.4 標準氣體中激波 155
3.5 斜激波 162
3.6 穿過激波的損失 170
3.7 活塞和楔形體問題 173
3.7.1 線性近似和二次近似 174
3.7.2 薄激波層的高超聲速近似：牛頓公式 176
第4章 特征線理論 180
4.1 問題的數學模型 180
4.2 一維非定常流動 184
4.3 二維定常流動 190
4.4 三維流動 196
4.5 簡單波 199
4.6 膨脹波和壓縮波特性 203
4.6.1 膨脹波 203
4.6.2 壓縮波 206
4.7 在非均勻介質中擾動的傳播 208
4.7.1 連續介質中的波 208
4.7.2 旋渦流動中的短波 209
4.7.3 激波/接觸間斷的相互作用 211
4.7.4 來自聲速線的擾動反射 214
4.7.5 在回流點后的流動 214
4.8 聲波和激波的相互作用 215
4.9 任意間斷的破碎 219
4.9.1 不規則激波相互作用 225
4.10 薄層中的擾動 227
4.11 激波陣面方程 231
4.12 異常介質中的波 236
第5章 混合（亞聲速–超聲速）流 240
5.1 混合流的形成 240
5.2 跨聲速馮 卡門方程和恰普雷金方程 242
5.3 氣體動力學問題的控制方程 247
5.3.1 超聲速流動 248
5.3.2 亞聲速流動 250
5.3.3 跨聲速流動 251
5.4 鈍體的超聲速繞流 251
5.5 噴管和射流 256
5.5.1 超聲速射流 258
5.5.2 亞聲速射流 260
5.5.3 射流與障礙物的相互作用 260
5.6 亞聲速凸角繞流 261
5.7 擾動與亞聲速區域的相互作用 264
5.8 定常解的存在性 268
第6章 自相似解和解群 270
6.1 基本概念 270
6.2 不可壓縮流中的錐體 271
6.3 一些跨聲速問題 274
6.4 超聲速流動中的錐體 277
6.5 錐形流動 282
6.6 攻角下的錐體 285
6.7 超聲速流中的薄三角翼 291
6.8 強爆炸波 296
6.9 真實氣體中的爆炸 303
6.10 自相似時變耗散流 305
第7章 強激波流動 316
7.1 高超聲速穩定性和可壓縮激波層 316
7.2 布斯曼公式和牛頓公式 322
7.3 鈍體：相似律 330
7.4 氣動特性 332
7.5 有限解：自由層 340
7.6 活塞問題 345
7.7 駐點附近的級數截斷法 348
7.8 鈍體對稱軸附近的等密度流 352
7.9 沿對稱軸的變密度流 358
7.10 三維薄激波層 362
7.11 錐體對稱平面附近的流動 367
7.12 在高超聲速流動中的射流 372
7.13 退化激波層方程 375
第8章 尖薄體高超聲速繞流 381
8.1 非線性理論的特征 381
8.2 基本方程：時變類比 383
8.3 積分守恒定律的類比 387
8.4 相似律 389
8.5 薄翼繞流 392
8.6 大攻角下的薄體繞流 395
8.7 非定常流動：曲面體法則 398
第9章 鈍薄體繞流 406
9.1 鈍薄體繞流的一般模式 406
9.2 相似律和爆炸類比 409
9.3 高熵層在真實氣體效應中的作用 415
9.4 鈍錐繞流 417
9.5 有攻角的旋轉體 426
9.6 鈍前緣翼 435
9.7 鈍頭機翼 439
9.8 鈍體三維渦層的一些性質 442
9.9 流經偏航圓柱體的非均勻高超聲速流動 446
第10章 松弛氣體的物理化學模型450
10.1 問題的描述 450
10.2 松弛介質模型的基本假設 450
10.3 氣體混合物的狀態方程 454
10.4 松弛方程與極限流態 459
10.5 氣體成分和基本反應 464
10.6 熵和平衡條件 467
10.7 內部自由度的平衡：玻爾茲曼分布 474
10.8 化學反應平衡與氣體組成 479
10.9 化學反應速率 483
10.10 復雜系統的弛豫過程 485
10.11 松弛反應的相互作用 489
10.12 電子溫度的弛豫過程 493
10.13 結論 495
第11章 非平衡氣體流動 497
11.1 非平衡氣體流動方程 497
11.2 極限流區 499
11.2.1 凍結流 500
11.2.2 平衡流 500
11.2.3 極限流動的等熵性 502
11.2.4 準穩態解 503
11.3 極限聲速及其等級 504
11.4 非平衡氣體中擾動的傳播速度 509
11.5 激波和松弛區 511
11.5.1 高超聲速激波 513
11.5.2 非平衡激波 517
11.6 非平衡態氣體中的短波和弱激波 517
11.7 近平衡流動和黏性松弛比擬 522
11.8 松弛介質中穩態波的一般理論 531
11.9 二元相似律 540
11.10 流過物體的非平衡流 542
11.10.1 通過帶有附加激波的尖銳物體的流動 543
11.10.2 超高聲速流動中的薄激波層 543
11.10.3 鈍頭體駐點 545
11.10.4 球體和細長球型鈍錐（θ=10°） 548
11.10.5 非平衡高超聲速中的物體 554
11.11 噴流和射流：硬化效應 555
11.12 熱稀疏波 558
11.13 升華波 564
第12章 黏性流動和邊界層 569
12.1 黏性耗散氣體流動的邊界條件和運動方程 569
12.2 Navier-Stokes方程的精確解 573
12.2.1 一般形式Uδ=cxm 580
12.3 拋物化的不可壓Navier-Stokes方程 580
12.4 不可壓流動的平板邊界層 584
12.5 可壓縮Navier-Stoke方程和邊界層方程的拋物化 589
12.6 可壓縮氣體邊界層 595
12.6.1 平板邊界層（超聲速尖楔或尖錐邊界層流動） 598
12.6.2 鈍頭體駐點邊界層 603
12.7 湍流模型和湍流特性 604
12.8 積分關系和近似方法：鈍頭體邊界層 609
12.9 黏性–無黏相互作用：基本效應 619
12.9.1 位移效應 619
12.9.2 橫向曲率效應 620
12.9.3 尾部效應 621
12.9.4 外流的非均勻性效應 621
12.9.5 非。ɑ驍U散）激波效應 622
12.10 非均勻流動中的邊界層 624
12.11 非均勻流動中邊界層的質量平均參數化方法 628
12.12 細尖體高超聲速邊界層 632
前言
第1章 氣動模型和氣體流動方程 1
1.1 氣動模型概述 1
1.2 一維流動的氣體動力學方程和假設 7
1.2.1 動量守恒定律 8
1.2.2 能量守恒定律 9
1.3 狀態方程 11
1.4 若干分子動力學理論知識 18
1.5 熵和熱力學第二定律 24
1.6 聲速 27
1.7 流體和氣體運動的積分方程：一個簡單的例子 32
1.7.1 質量守恒定律 33
1.7.2 動量守恒定律 33
1.7.3 能量方程 33
1.8 流體介質運動學的若干問題：向量微分算子 39
1.8.1 粒子軌跡和流線 39
1.8.2 旋度和變形率 40
1.8.3 矢量散度 44
1.8.4 向量對的散度 46
1.9 氣體動力學微分方程 46
1.9.1 質量守恒或連續方程 46
1.9.2 動量方程：黏性應力場 47
1.9.3 能量方程 48
1.10 牛頓流體和氣體的流變模型 50
1.11 初始條件和邊界條件55
1.11.1 邊界條件 56
1.11.2 氣體動力學問題解的存在性和唯一性 57
1.12 氣體動力學的相似性和建！58
1.12.1 **種方法：無黏理想氣體 58
1.12.2 第二種方法：相似理論 59
1.12.3 真實氣體 62
1.12.4 非定常流 62
1.12.5 重液體中的物體運動 63
1.12.6 自相似性問題 64
1.13 曲線坐標系：歐拉方程 64
1.13.1 其他算子 65
1.13.2 圓柱坐標系 66
1.13.3 球坐標系 67
1.13.4 平面和軸對稱流動的貼體坐標系 68
1.13.5 一般坐標系 70
1.14 曲線坐標中的Navier-Stokes方程 72
1.15 湍流流動 75
1.16 黏性和非黏性流動模型 78
第2章 無黏氣體動力學：一般問題和簡單解 81
2.1 流函數、勢和渦 81
2.1.1 旋度和速度環量 82
2.1.2 速度勢 84
2.2 氣體動力學方程積分 85
2.2.1 定常絕熱流動 86
2.2.2 正壓氣體的絕熱勢流 87
2.3 一維穩態流動 90
2.3.1 一般方程和馬赫數的作用 90
2.3.2 拉伐爾噴管：等熵流動 92
2.3.3 熱噴流 95
2.3.4 變流量噴管 95
2.4 氣體動力學線性方程 96
2.5 聲波傳播 99
2.6 非線性效應：膨脹扇和激波 102
2.7 定常細長體繞流：相似律 104
2.7.1 相似律 106
2.7.2 非定常比擬 109
2.8 超聲速流動中的細長體 110
2.8.1 平面流動 110
2.8.2 軸對稱問題 112
2.9 細長體亞聲速繞流 116
2.10 圓柱、球和其他不可壓縮繞流體 123
2.11 駐點和奇異線 128
2.11.1 平面有旋和無旋流 128
2.11.2 軸對稱流動 129
2.11.3 兩對稱平面 130
2.11.4 正壓梯度駐點 131
2.11.5 不可壓縮楔形繞流 132
2.11.6 奇異面和奇異線 133
2.12 亞聲速流動作用力 134
2.13 空氣動力學特性 139
2.14 物體加速運動 142
第3章 激波 145
3.1 引言：問題的公式表達 145
3.2 黏性氣體中的激波結構 147
3.3 完全氣體中的正激波149
3.4 標準氣體中激波 155
3.5 斜激波 162
3.6 穿過激波的損失 170
3.7 活塞和楔形體問題 173
3.7.1 線性近似和二次近似 174
3.7.2 薄激波層的高超聲速近似：牛頓公式 176
第4章 特征線理論 180
4.1 問題的數學模型 180
4.2 一維非定常流動 184
4.3 二維定常流動 190
4.4 三維流動 196
4.5 簡單波 199
4.6 膨脹波和壓縮波特性 203
4.6.1 膨脹波 203
4.6.2 壓縮波 206
4.7 在非均勻介質中擾動的傳播 208
4.7.1 連續介質中的波 208
4.7.2 旋渦流動中的短波 209
4.7.3 激波/接觸間斷的相互作用 211
4.7.4 來自聲速線的擾動反射 214
4.7.5 在回流點后的流動 214
4.8 聲波和激波的相互作用 215
4.9 任意間斷的破碎 219
4.9.1 不規則激波相互作用 225
4.10 薄層中的擾動 227
4.11 激波陣面方程 231
4.12 異常介質中的波 236
第5章 混合（亞聲速–超聲速）流 240
5.1 混合流的形成 240
5.2 跨聲速馮 卡門方程和恰普雷金方程 242
5.3 氣體動力學問題的控制方程 247
5.3.1 超聲速流動 248
5.3.2 亞聲速流動 250
5.3.3 跨聲速流動 251
5.4 鈍體的超聲速繞流 251
5.5 噴管和射流 256
5.5.1 超聲速射流 258
5.5.2 亞聲速射流 260
5.5.3 射流與障礙物的相互作用 260
5.6 亞聲速凸角繞流 261
5.7 擾動與亞聲速區域的相互作用 264
5.8 定常解的存在性 268
第6章 自相似解和解群 270
6.1 基本概念 270
6.2 不可壓縮流中的錐體 271
6.3 一些跨聲速問題 274
6.4 超聲速流動中的錐體 277
6.5 錐形流動 282
6.6 攻角下的錐體 285
6.7 超聲速流中的薄三角翼 291
6.8 強爆炸波 296
6.9 真實氣體中的爆炸 303
6.10 自相似時變耗散流 305
第7章 強激波流動 316
7.1 高超聲速穩定性和可壓縮激波層 316
7.2 布斯曼公式和牛頓公式 322
7.3 鈍體：相似律 330
7.4 氣動特性 332
7.5 有限解：自由層 340
7.6 活塞問題 345
7.7 駐點附近的級數截斷法 348
7.8 鈍體對稱軸附近的等密度流 352
7.9 沿對稱軸的變密度流 358
7.10 三維薄激波層 362
7.11 錐體對稱平面附近的流動 367
7.12 在高超聲速流動中的射流 372
7.13 退化激波層方程 375
第8章 尖薄體高超聲速繞流 381
8.1 非線性理論的特征 381
8.2 基本方程：時變類比 383
8.3 積分守恒定律的類比 387
8.4 相似律 389
8.5 薄翼繞流 392
8.6 大攻角下的薄體繞流 395
8.7 非定常流動：曲面體法則 398
第9章 鈍薄體繞流 406
9.1 鈍薄體繞流的一般模式 406
9.2 相似律和爆炸類比 409
9.3 高熵層在真實氣體效應中的作用 415
9.4 鈍錐繞流 417
9.5 有攻角的旋轉體 426
9.6 鈍前緣翼 435
9.7 鈍頭機翼 439
9.8 鈍體三維渦層的一些性質 442
9.9 流經偏航圓柱體的非均勻高超聲速流動 446
第10章 松弛氣體的物理化學模型450
10.1 問題的描述 450
10.2 松弛介質模型的基本假設 450
10.3 氣體混合物的狀態方程 454
10.4 松弛方程與極限流態 459
10.5 氣體成分和基本反應 464
10.6 熵和平衡條件 467
10.7 內部自由度的平衡：玻爾茲曼分布 474
10.8 化學反應平衡與氣體組成 479
10.9 化學反應速率 483
10.10 復雜系統的弛豫過程 485
10.11 松弛反應的相互作用 489
10.12 電子溫度的弛豫過程 493
10.13 結論 495
第11章 非平衡氣體流動 497
11.1 非平衡氣體流動方程 497
11.2 極限流區 499
11.2.1 凍結流 500
11.2.2 平衡流 500
11.2.3 極限流動的等熵性 502
11.2.4 準穩態解 503
11.3 極限聲速及其等級 504
11.4 非平衡氣體中擾動的傳播速度 509
11.5 激波和松弛區 511
11.5.1 高超聲速激波 513
11.5.2 非平衡激波 517
11.6 非平衡態氣體中的短波和弱激波 517
11.7 近平衡流動和黏性松弛比擬 522
11.8 松弛介質中穩態波的一般理論 531
11.9 二元相似律 540
11.10 流過物體的非平衡流 542
11.10.1 通過帶有附加激波的尖銳物體的流動 543
11.10.2 超高聲速流動中的薄激波層 543
11.10.3 鈍頭體駐點 545
11.10.4 球體和細長球型鈍錐（θ=10°） 548
11.10.5 非平衡高超聲速中的物體 554
11.11 噴流和射流：硬化效應 555
11.12 熱稀疏波 558
11.13 升華波 564
第12章 黏性流動和邊界層 569
12.1 黏性耗散氣體流動的邊界條件和運動方程 569
12.2 Navier-Stokes方程的精確解 573
12.2.1 一般形式Uδ=cxm 580
12.3 拋物化的不可壓Navier-Stokes方程 580
12.4 不可壓流動的平板邊界層 584
12.5 可壓縮Navier-Stoke方程和邊界層方程的拋物化 589
12.6 可壓縮氣體邊界層 595
12.6.1 平板邊界層（超聲速尖楔或尖錐邊界層流動） 598
12.6.2 鈍頭體駐點邊界層 603
12.7 湍流模型和湍流特性 604
12.8 積分關系和近似方法：鈍頭體邊界層 609
12.9 黏性–無黏相互作用：基本效應 619
12.9.1 位移效應 619
12.9.2 橫向曲率效應 620
12.9.3 尾部效應 621
12.9.4 外流的非均勻性效應 621
12.9.5 非。ɑ驍U散）激波效應 622
12.10 非均勻流動中的邊界層 624
12.11 非均勻流動中邊界層的質量平均參數化方法 628
12.12 細尖體高超聲速邊界層 632
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高超聲速真實氣體流動 節選
第1章氣動模型和氣體流動方程 本章將定義一個稱為氣動模型的氣體流動模型，它能夠充分描述標準尺寸的飛行器在中等密度介質中典型運動狀態下的周圍流場特征，例如，在地球和其他行星的大氣層中飛行，或在試驗測試平臺中開展試驗。在該模型的框架內，將推導出氣體流動的控制方程，并將闡明一些伴隨的理論問題。 首先，由于一維流動不需要借助復雜的矢量和張量計算，可以首先通過簡單的一維流動來揭示氣體動力學過程的機理和物理規律，然后再推導一般形式的氣體動力學方程。 與此同時，本章只給出一些經典理論的精簡形式，如運動學理論、張量分析等。詳細的介紹可以參考Kochin，Kibel和Roze（1963），Loitsyanskii（1966），Rakhmat-ullin Loitsyanskii等（1970），Sedov（1972），Landau和Lifshitz（1959）等或其他學者的書籍。 1.1氣動模型概述 在講述氣體流動的一般理論之前，我們首先介紹適用于常見氣體動力學問題中氣體介質的氣動模型。 通常，我們采用“介質模型”這個詞時，意味著用一組控制方程去完全確定一個特定的過程，同時考慮一些額外條件（如邊界、初始條件等）。接下來將介紹氣動模型的本質。 在構建氣動模型（和其他學科分支的模型一樣）時，應先考慮其應用的目的和條件，本書旨在為各種在大氣層內的飛行器丨或各種空間軌道再入飛行器，即外流問題）的工程發展，以及對噴流和導流（內流問題）的研究等提供指導。在本書的主題之一的外流問題中，氣動模型的應用環境取決于飛行器的尺寸L、飛行速度U和飛行高度H決定的流動介質參數，如壓力p、密度p、溫度T等。 然而，地球大氣溫度r在[200K，300K]范圍內，變化相當小，但是壓力和密度的變化可能有幾個量級。圖1.1為地球大氣層的氣體統計參數（即所謂的“標準大氣”參數）。對靜力學方程dp=-pgdH進行積分，其中重力加速度g=9.81m/s2，根據等溫條件，可以得到 （1.1.1） 其中，分子濃度n、平均分子自由程I和Pa等參數用海平面的值進行歸一化。圖1.1表明，上述公式準確地描述了0=0.14km-1時的大氣密度和壓力。 在稠密大氣層內（H（100km），密度比義和其他比值的變化可能高達106，這勢必會影響氣體動力學機理和流動模型的一些特性。一般地，這些模型的變化取決于飛行范圍，如圖1.2所示的飛行條件。 絕大多數的氣體動力學理論（稀薄氣體相關的理論除外）是由基本模型或連續介質假設發展而來的，連續介質假設認為，氣體是粒子結構，允許分子和原子在充滿粒子的空間中自由移動。地球大氣的分子濃度髙（這將在1.4節中更詳細地討論），所以該模型意味著可以通過將單分子的獨立參數的集合轉換到一組宏觀的平均參數，來描述氣體的狀態和屬性。而對于稀薄氣體（如在高度F>100～120km的大氣層內），像壓力和溫度這些傳統的熱力學概念不再成立，這種低密度介質的主要特性是，分子的分布函數與速度、空間、時間等相關。該流動模型（構成了氣體動力學的理論基礎）可以認為是在構建氣體密度遞減的連續模型層次的*終階段。自由分子流動區域的密度更低（飛行高度更高），這種區域內的氣體不再是連續介質。 隨著氣體密度增加（即飛行高度H≦90～100km時），存在一個普適的簡單宏觀模型，我們稱之為氣體動力學介質模型，恰好氣體動力這個詞在一般意義上能夠準確地描述這個范圍內的流動狀態。 在這種流動狀態下，氣體動力學特性可以通過一組宏觀參數來描述，如氣體速度矢量t/;基本熱力學參數，如壓力p、密度p、溫度:T和比能e（單位氣體質量的能量）；以及一組動力學參數。而在一般流動狀態下，由每個組分i的混合物和狀態決定。該模型主要包括以下幾個內容。 （1）熱力學參數之間的約束（代數）關系稱為狀態方程。特別地，標準條件下的理想氣體滿足克拉拍龍（Clapeyron）狀態方程和能量方程，其中，片是給定氣體的氣體常數，^是定容比熱容。 （2）內部宏觀力（應力）和速度場之間的關系，或流變介質模型（考慮黏性的情況下）。 （3）基于質量、動量和能量守恒的基本方程組。 總體來看，按照氣體密度增加的方向，可以將氣體動力學發展體系依次分為兩個階段。一般地，氣體中的每個微粒單元面除了受到靜壓力p產生的法向力外，還受到黏性應力的作用。同時，氣體混合物組分（多組分介質時）間的熱傳導和熱擴散通過微粒單元會產生熱通量，這種效應被稱為耗散。結合黏性流體的實際模型，推導出納維-斯托克斯（Navier-Stokes，N-S）方程，是氣動模型發展體系的*高階段。 嚴格地說，決定黏性流動結構的主要參數并不是密度，而是一個無量綱參數，即雷諾（Reynolds）數，Re=pUL/no氣體或液體的黏度/x主要取決于溫度。因此，大氣飛行中雷諾數的數量級主要由密度決定。典型再入條件下，Re和高度的依賴關系如圖1.1所示。 在高雷諾數流動中，黏度的影響只在很窄的邊界層內（主要在固體表面附近），邊界層的厚度量級為LRe-*'在邊界層外，可以認為流動是無黏的，用歐拉（Eu-ler）方程描述。 該模型引出了氣體動力學的一個廣泛的分支，即無黏理論，或通常所說的理想流體，本書的大部分內容將專門針對這個問題進行討論。 除了雷諾數，還有一個更重要的參數，馬赫數M=U/a，M能夠定性地描述氣體動力學問題的物理和數學特性。其中，a是氣體中的聲速。根據不同的馬赫數，可將氣體流動分為亞聲速（M1）。馬赫數M=0時，表示不可壓流動模型，而為高超聲速流動。 前面考慮的是氣體介質模型*基礎的特性，而溫度升高時，會表現出其他的特性，即伴隨的物理化學反應過程。 冷空氣主要是雙原子氣體：氧氣（占空氣分子總數的21%）、氮氣（78%），以及少量的氬（約1%）的混合物。在相對較低的溫度下，比如，r2000K、氮分子在T>4000K時開始分解（離解）成單原子。隨著溫度進一步增加，開始發生電離過程，產生自由電子（圖1.4）。 事實上，這些過程需要消耗大量的能量。圖1.5所示的鈍頭體流動中，駐點位置的動能在物理和化學過程中被部分消耗。顯然，分子振動的能量相對較小，而電離和離解過程需要消耗高達75%的流動能量。這些效應使得很多基于完全氣體動力學的假設不再適用。 所以，物理化學過程與氣體動力學過程之間速率的比值很關鍵。如果物理化學反應過程比氣體動力過程中熱力學狀態的變化快得多，則可以認為氣體是絕對平衡的，這種流動稱為平衡流。相反地，在另一個極端條件下，氣體粒子迅速離開所關注的流動區域，物理化學過程沒有反應時間，因此氣體組分不會發生變化，這種流動稱為凍結流。 在這兩種極端條件下，僅僅用主要的熱力學參數（p，p，T，e）就足夠描述氣體的狀態方程，并通過幾個方程（狀態方程）將這些參數聯系起來。在這兩種條件下，流動控制方程的數值特性和氣動力特性以及問題的公式化，與完全氣體流動的沒有區別。 本書的主要部分就是專門講述這些流動的理論，我們稱之為平衡氣體動力學理論；谶@套理論發展的理論規律是很普適的，所以在實際應用中適用范圍相當廣泛，尤其是理論的適用更廣，甚至對物理化學非平衡流動的廣泛中間區域也是有意義的。 非平衡氣體動力學與平衡氣體動力學不同，需要添加一些微分方程（在某些情況下，數量可高達幾十個），導致物理特性和數值特性上出現一些新的效應。 物體繞流的類型取決于流動條件。因為物理化學過程的速率通常隨著氣體密度的增加而增加，相對低海拔（標準尺寸L～lm的物體對應的高度H<30km）飛行的典型的流態是平衡流，而非常高的海拔（約H≥80km）出現凍結流。同時，黏性流動的髙度范圍也較低。物理化學過程影響的邊界非常依賴飛行速度，如圖1.2所示。 在結束氣體流動特性和模型的回顧之前，我們將對構建氣體流動模型的方法作一個重要的論述。 構建氣體介質的物理模型有兩種方法。**種是由經驗數據得到的物理規律和關系式，這種方法（將其稱為現象學）需要借助經驗，不需要詳細了解分子水平的流體問題，就足以建立流體和氣體動力學理論。因此，這個方法為所有已知的手冊提供了理論依據，本書自然也不例外。
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