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    高超音速飞行器的气动热现象

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      科普驿站  第二十六期

      主题:高超音速飞行器的气动热现象

      科目:物理

      难度:B2

      时间:2019.10.25

      讲师:李俊林

      0 引言

      随着飞行器飞行速度的不断提高,飞行器飞行时表面温度也不断升高,这曾是继飞行器(主要是航空器)“音障”后的又一大难题,也被称为“热障”。其实早在超声速飞行刚刚起步时,设计师们就已经注意到了这个现象,只是在低速、亚音速及跨音速飞行时不太明显,特别是飞行高度较高时,外部环境温度较低,可以较好的缓解这个问题,所以直到飞行速度超过音速时,这个现象才被人们重视,并逐步解决。

      SR-71“黑鸟”就是一个很好的例子,“黑鸟”在高空高速巡航时,表面温度极高,高速飞行时外表面呈红色。 

      高超音速飞行器的气动热现象

      相似的例子很多,这也是钛合金逐步替代铝合金成为航空器的主要制造材料的一个决定性因素,要知道,钛合金不仅重量较沉,而且加工较困难,由于导热性能较差,在切削加工时会出现“粘刀”现象,加速刀具的磨损,使得加工成本大大增加。尽管如此,在对重量及结构强度、刚度、耐蚀性等一系列特性做出权衡后,我们还是选择了钛合金。

      1 流体粘性及边界层理论

      很多人在此可能会有很多疑惑,为什么飞行器飞行会产生热量呢,鸟儿在天上不也飞得好好的嘛,也没见着飞着飞着烧熟了掉下来啊,为什么飞机就会产生呢。在这里呢,想要完整地解释这个问题,就需要介绍两个理论来帮助我们理解这个问题,分别是流体的粘性及边界层理论。

      1.1 流体粘性理论

      由于流体中存在着粘性,流体的一部分机械能将不可逆地转化为热能,并使流体流动出现许多复杂现象,例如边界层效应、摩阻效应、非牛顿流动效应等。自然界中各种真实流体都是粘性流体。有些流体粘性很小(例如水、空气),有些则很大(例如甘油、油漆、蜂蜜)。当流体粘度很小而相对滑动速度又不大时,粘性应力是很小的。即可看成理想流体。理想流体一般也不存在热传导和扩散效应。实际上,理想流体在自然界中是不存在的,它只是真实流体的一种近似。但是,在分析和研究许多流体流动时,采用理想流体模型能使流动问题简化,又不会失去流动的主要特性并能相当准确地反映客观实际流动,所以这种模型具有重要的使用价值。

      其实我们可以做个很有趣的实验来验证流体的粘性,这个实验很简单,我们放置上下两个可自由转动的铁盘,在贴近时(不接触),转动一个铁盘,另一个铁盘就会随之转动,知道两者转动的速度无限趋近于一致为止,当然,这也是理想状态,毕竟能量会有损失,所以实际上是永远也达不到的。

      1.2 边界层理论

          如果粘性很小的流体(如水,空气等)在大雷诺数时与物体接触并有相对运动,则靠近物面的薄流体层因受粘性剪应力而使速度减小;紧贴物面的流体粘附在物面上,与物面的相对速度等于零;由物面向上,各层的速度逐渐增加,直到与自由流速相等。L-普朗特把从物面向上的这一流体减速薄层叫作边界层。图1是无攻角平行流沿平板的边界层示意图。 

      高超音速飞行器的气动热现象

      由物面向外,流体速度迅速增大至当地自由流速度,即对应于理想绕流的速度,一般与来流速度同量级。因而边界层内速度的法向垂直表面的方向梯度很大,即使流体粘度不大,如空气、水等,粘性力相对于惯性力仍然很大,起着显著作用,因而属粘性流动。而在边界层外,速度梯度很小,粘性力可以忽略,流动可视为无粘或理想流动。在高雷诺数下,边界层很薄,其厚度远小于沿流动方向的长度,根据尺度和速度变化率的量级比较,可将纳维-斯托克斯方程简化为边界层方程。求解高雷诺数绕流问题时,可把流动分为边界层内的粘性流动和边界层外的理想流动两部分,分别迭代求解。边界层有层流、湍流、混合流 ,低速(不可压缩)、高速(可压缩)以及二维、三维之分。由于粘性与热传导紧密相关,高速流动中除速度边界层外,还有温度边界层。(图片为水中边界层与摩擦阻力关系图) 

      高超音速飞行器的气动热现象

      上面的都是一些比较粗涩难懂的解释,在这里我大致的用通俗语言解释下,大致就像我们知道,润滑油有助于防止机械之间的磨损,因为边界层的存在,相当于完全附着于元件表面,越远离元件,运动幅度越大,在某一层之后,就可以看作自由运动,在这一层以内的就是边界层。

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      Lv.11巨型病毒
      牛顿
      你端坐在那里,我才知道我有多么浅薄,我曾忘情于两汉的歌赋,我曾惊讶于唐宋诗词,也曾流连于宋元的曲牌,如今而你才是人世间真正的圣人。

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      👍👍👍

      将来要成为一名伟大的物理学家!

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