[拼音]:高朝生苏柳东

高超音速流

流体流动的速度比声音流动的速度大得多。对于细长体，一般是指来流马赫数5的流动。高超声速流动具有许多不同于超声速流动的特性。

研究简史

高超声速流动的理论研究始于20世纪40年代末，当时中国的钱学森和郭永怀两位学者研究了高超声速相似定律(参见空气动力学小扰动理论)。20世纪60年代中期，高超声速流动的非粘性近似理论得到了蓬勃发展。在一般边界层理论的基础上，引入激波与边界层相互作用、传热传质、化学反应和边界层内烧蚀等特性，发展了高超声速粘性流动理论。这些无粘和粘性流动理论是在高速飞机的研究和制造过程中逐渐建立起来的。高超声速流动的数值研究在20世纪50年代末开始蓬勃发展，在非粘流复杂流场计算和粘性流计算(包括化学物理变化和烧蚀的数值研究)方面取得了重要进展。

特征

高超声速流动由于其高马赫数和高能量而具有许多重要特性。

流像高超声速飞行器的基本形状包括钝头体、尖瘦体和钝头瘦体。与这些不同形状相对应的周向流型是非常复杂的。对于绕钝体的高超声速流动，钝体前方存在强弓形激波，激波为未受扰动的气流，激波层很薄，激波与物体表面之间的流动形成高旋度，物体后方形成高超声速尾迹，流场中存在各种内部激波或膨胀波(见压缩波)。钝体周围的流场更为复杂。激波靠近物体表面，具有细长的形状。物体表面附近存在熵层，一般高超声速流动发生在激波与熵层之间。熵层是一种非常薄的剪切层，沿流动方向迅速淹没在边界层中，因此在实验中难以识别。

高超声速流动具有一定的流体动力学特性，例如，高超声速流动周围的激波层非常薄；尖薄体的绕流具有扰动小的特点。钝体驻点附近的流动具有近似的等密度特性。这些特性可以为无粘流的理论分析提供简化的假设，但同时也带来了超声速流动所不具备的复杂性：在高超声速流动中，即使在小扰动条件下，无粘流的运动方程也不能线性化，强激波背后的流场是带旋转的非等熵流动，激波与边界层的相互作用比较严重。高速高能气流被激波的强烈压缩所困住，或与物体表面产生强烈摩擦，气体温度可升至数千开尔文。气体分子在高温下受到激发，还会发生解离、电离、辐射等物理化学变化。高温下，物体表面发生材料烧蚀，形成复杂的多相流动，边界层传热传质现象严重。因此，热力学特性、输运特性、能量的传递与转换以及气体介质与物体之间的相互作用都变得非常复杂。虽然水动力和物理化学特性可以分开研究，但它们之间的相互作用是重要的。

研究内容

主要有三个方面：

高超声速无粘流动理论主要研究流动规律、流场参数和对飞行物体的作用力。其基本理论和方法有：高超声速小摄动理论(含相似定律)、薄激波层理论、驻点流动解、激波膨胀波法、钝体绕熵层流动理论、绕流流场数值解和牛顿冲击理论等。

高超声速粘性流动理论主要研究激波与边界层的相互作用、边界层内的传热传质、介质中物理化学变化引起的热力学特性和输运性质及其变化规律、烧蚀、非平衡流动、高超声速尾迹等。物理和化学变化对流动的影响通常是局部的。因此，在不了解物理现象的情况下，可以获得无粘流场的基本特性。然而，物理现象对流场的局部细节有很强的影响，在极端情况下可能起到控制流场的作用。

高超声速流动实验研究采用高超声速风洞、激波管、电弧加热器等实验装置研究其流动规律、流动介质的变化以及气体与物体的相互作用。

稀薄气体动力学用于研究高空、稀薄大气中再入物体的流动。采用高温气体动力学方法研究具有高温特性的高超声速流动。

参考文献W.D. Hayes和R.F. Plomstein著，阎宗义、孙淑芬译：《高超音速流理论》，第一卷，科学出版社，北京，1979。(W.D. Hayesand R.F. Probstein，高超声速流动理论，Vol.1，学术出版社，纽约，1959)