考虑氧气离解的空气热物性参数计算

作     者：范民 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曹伟

授予年度：2012年

学科分类：080701[工学-工程热物理] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：高超声速流动 离解度 平衡常数 热物性参数 

摘      要：高超声速飞行器飞行时,物体表面附近由于激波存在和粘性阻滞,边界层内的气体将会达到很高的温度,部分气体的动能将会转化为分子随机运动的能量,由此导致分子的振动自由度被激发,进而产生离解、电离和电子激发等一系列反应。空气不能再被视为热完全气体,而应该视为分子、原子、离子和电子组成的真实气体。空气的状态方程以及内能、焓和比热容等热物性参数也会偏离热完全气体的值。 为了更好的研究高温边界层流场流动稳定性和预测边界层转捩位置,需要对离解空气的热物性参数进行研究。本文采用离解度和平衡常数两种方法对离解空气的压缩因子、离解度和内能等热物性参数进行了研究,得出以下结论: 1、氧气的离解度与混合气体的压缩因子是温度和压力的函数。在压力相同情况下,随着温度提高氧气的离解度与混合气体的压缩因子将提高;对应同样的温度,压力越高则氧气的离解度与混合气体的压缩因子越低。 2、混合气体的无量纲摩尔比内能和焓随温度的升高而增加,并在离解反应快要结束时达到极大值。混合气体的无量纲摩尔比热容随温度的增加先增加后减小,并且在离解度增大速率最快的温度附近达到比热容的极大值。由于氧气的离解反应是一吸热过程,温度增加量相同时,考虑化学反应后混合气体相比热完全气体模型所吸收的热量多,也即,吸收相同热量,考虑化学反应后混合气体相比热完全气体模型,温度增幅减小。 3、化学反应混合气体的比热容比和等熵指数随温度增加的变化规律是先减小后增加。等熵指数的极小值出现在离解度变化速率最快的温度附近,与摩尔比热容极大值点的温度相同;比热容比的极小值出现在等熵指数达到极小值的温度之前。 4、温度相同情况,压力越大,气体的压缩因子越接近于1,无量纲摩尔比内能等热物性参数随温度的变化曲线越平缓,混合气体偏离热完全气体状态的程度越小,化学反应所引起的热物性参数的变化越小。因此,对应高温和低压,尤其是在高空的飞行器由于环境压力较低的情况需要考虑离解。