空气离解的高超声速平板边界层流动稳定性分析

作     者：赵耀鹏 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曹伟

授予年度：2018年

学科分类：080103[工学-流体力学] 08[工学] 080104[工学-工程力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：高超声速边界层 离解度 平衡常数法 空气离解 热物性参数 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0.01atm,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。