基本介紹
- 中文名：氣動熱力學
- 外文名：Aerothermodynamic
- 屬於：空氣動力學的一個分支
- 研究：高溫氣體或氣體成分變化時
- 包含：防熱設計的重要理論基礎
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內容介紹
空氣動力學在傳統上研究氣體的熱力學狀態和與海平面標準大氣條件相差不多的流動。這時氣體的壓力、溫度和密度的關係遵循完全氣體狀態方程，氣體的其他性質如比熱、粘性、導熱率等都假定為常數。而在氣動熱力學中，它們不再是常數，在許多情況下作為單一完全氣體狀態方程已不再適用。氣體的流動性質依賴於它的溫度和成分，在分析高溫或氣體成分有變化的流動時，須同時考慮熱力和動力現象。氣動熱力學是發展中的邊緣學科，它把空氣動力學與熱力學、物理力學、化學動力學和電磁學結合起來。
高速邊界層的傳熱和傳質 高速運動的氣流在邊界層內被物體滯留，氣體動能轉化為熱能，被減速的部分氣體溫度劇增到遠高於物面溫度值，因而熱量傳入物體。除氣流速度外，氣流成分和化學狀態、物體的形狀、材料和表面光滑程度、邊界層流態和質量傳遞都會影響邊界層傳熱。一般來說，湍流熱流比層流熱流大得多，粗糙表面的熱流也比光滑表面大。再入大氣層的飛行器表面和火箭發動機內壁，常採用燒蝕或發汗冷卻等防熱方法（見燒蝕防熱）。在惡劣天氣條件下，再入彈頭的天氣侵蝕和固體火箭發動機噴管中流動，還涉及兩相流中複雜的傳熱傳質問題。
燒蝕與流場的耦合影響 燒蝕、侵蝕引起的外形變化和質量注入邊界層,都會影響再入彈頭的氣動性能,特別是由不對稱端頭外形產生的小的不對稱氣動力和彈頭加工造成的質量和慣量的不對稱，合在一起可能導致彈頭髮生滾動共振，由於迎角劇增而毀壞，或發生滾速過零造成較大的落點散布。在確定燒蝕外形時還需要考慮激波形狀、壓力分布、邊界層轉捩、表面粗糙度和質量注入等因素。
真實氣體效應 在室溫下氣體分子只能進行平移和轉動運動，隨著溫度增加，開始出現振動，最後分子內部的約束被破壞而分解，而在更高的溫度下將出現電離現象。這些過程從發生到新的平衡以及組元之間的化學反應,都需要一定的時間,稱為鬆弛時間。根據氣體運動的巨觀特徵時間與鬆弛時間之比的三種情況（很大、接近於1和很小）,可將流動分成平衡流動、非平衡流動和凍結流動。對於凍結流動氣體的特性與完全氣體一樣。非完全氣體的狀態參數可根據物理力學進行計算，對於平衡狀態的熱力學參數，已有不少可用的氣體熱力性質表。對於非平衡流動，必須計及全部可能的組元，因而與一切可能的化學過程和起主導作用的反應速率有關。真實氣體效應不僅對傳熱有顯著的影響，而且對於具有複雜外形的太空梭的俯仰力矩也有明顯的影響。另外，在高溫運行的風洞氣流中，也常出現非平衡流動。
電磁效應 氣體分子在高溫下被電離成電漿，在再入飛行器周圍形成等離子鞘套。當電磁波的頻率小於電漿頻率時,電磁波被界面反射而不能穿過,從而出現通信中斷現象，稱為黑障。已經證實，燒蝕產物將增加鞘套中的電子密度。所以必須在氣動外形和材料等方面採取有效的措施以降低電子密度。為了有效地識別和跟蹤再入飛行器，必須研究等離子鞘套和尾跡的電磁特性及其對雷達波傳播的影響。其中，要確定的最重要的參數是電子密度值和碰撞頻率隨時間和向後距離的衰減速率。
輻射效應 進入其他行星大氣層的飛行器的飛行速度很高，如木星探測器的速度高達48公里/秒,因而在高溫氣體的傳熱中輻射傳熱成為主要的因素。其他行星的大氣組成與地球完全不同，如金星、火星的大氣大部分都是二氧化碳。氣體組成的變化對於對流傳熱的影響不大，但對輻射傳熱的影響卻很大。輻射性能的基本數據，已能在激波管實驗的基礎上根據分子和原子的光譜數據和物理模型計算出來，然後再根據這些數據和氣體的成分及狀態參數估算出輻射傳熱。
發動機氣動熱力學 對於噴氣發動機，氣動熱力學需要解決的問題是：由高溫氣體分解而引起的進氣道能量損失；高溫葉柵繞流和對葉片的傳熱；燃料和氧化劑的擴散和混合；具有複雜化學反應和高湍流度的燃燒火焰的穩定性；具有燃燒產物的高溫高壓氣體在噴管中膨脹過程的效率；高溫氣體對噴管特別是喉道附近的傳熱。
研究方法
氣動熱力學的研究，在理論上可以利用計算機求解邊界層方程或精確的和各種簡化的納維爾－斯托克斯方程（見計算空氣動力學），但在解決實際問題時也經常採用工程計算方法和關聯實驗數據的經驗公式。在實驗方面，可以綜合使用高超音速風洞、激波管和激波風洞、彈道靶、電弧加熱設備和燃氣流裝置等進行地面模擬試驗（見超高速實驗設備），並在這一基礎上配合進行必要的飛行試驗。
燃氣輪機氣動熱力學研究
自從燃氣輪機裝置問世以來，人們一直為改善其性能進行著不懈的努力。近年來，世界性的能源危機和環境污染的加劇以及燃氣輪機裝機容量的增加和使用範圍的擴展，使燃氣輪機性能的改善顯得更加重要。尋找行之有效而又經濟、簡便的改善方法已經成為動力領域的重要研究課題。
在燃氣輪機裝置中，壓氣機耗功通常要占透平功的50%以上，在燃機上採用濕壓縮技術，能夠減小壓縮功，增大輸出功。使燃機的性能得到提高。所謂濕壓縮就是在壓氣機進口或在壓縮過程中向被壓縮氣體噴入液體，利用液體的氣化吸熱，使濕壓縮過程向定溫過程靠近，減小壓縮功，增大輸出功，以此達到改善燃機性能的目的。濕壓縮過程中水的加入還可使燃燒產物中N0x的生成量大大降低(實驗表明，噴入1%水量，NOx的生成量可減少40%)，減少環境污染。因此濕壓縮有環保效益。理論上，噴入的可以是水、乙醇、苯等各種液體，但是由於水的冷卻效果最好，且價廉易得，因此迄今為止，所有關於濕壓縮的研究都是圍繞噴水進行的。
從熱力學方面而言，濕壓縮與傳統的分級壓縮。中間冷卻方法目的相類似，都是降低空氣壓縮過程的溫升，減少壓縮功耗，但二者又有不同之處：
- 濕壓縮過程中，水滴與空氣在壓氣機中直接接觸，發生相間的熱量傳遞和質量傳遞，空氣在被壓縮的同時被冷卻，因此濕壓縮過程是一個連續的冷卻過程。中冷則是將被壓縮氣體從壓氣機級間抽出，經冷卻後再送回壓氣機繼續壓縮。為防止系統過於複雜和成本過高，中冷的次數是有限的，一般只有一兩次，因此中冷只能對氣體進行不連續冷卻。
- 濕壓縮通過水的蒸發來減低空氣溫度，空氣減少的能量等於水或水蒸氣增加的能量，仍處於系統中，因此濕壓縮過程又是一個熱量回收過程。而採用中冷時，中冷熱量通常被冷卻水帶走。冷卻水溫升有限，很難加以利用，中冷熱量通常釋放給環境，成為系統能量損失的又一來源，同時還會對環境造成熱污染。
- 採用濕壓縮時，水蒸氣的存在使透平工質質量流量增加，同時由於濕燃氣的比熱容較大，相同溫降時的焓降也大，從而透平功增加。採用中冷時透平功基本不變。因此採用濕壓縮後燃機裝置輸出功的增加比中冷顯著。
- 濕壓縮時，只要水滴霧化良好、噴嘴位置合理、噴水對壓氣機效率影響不大，就可使燃機裝置輸出功率得到改善。而中冷只有用於回熱燃機才能使熱效率提高。
- 濕壓縮燃機的功率輸出可以通過改變噴水量來調節。
- 濕壓縮燃機中，隨空氣進入燃燒室的水蒸氣可使NO。的生成速率降低，從而減少對環境的污染。
實際上，飽和濕壓縮過程才是極限的濕壓縮過程。所謂飽和濕壓縮，即是在壓縮過程中，濕空氣始終處於飽和狀態，或者說，工質始終得到充分的冷卻，此時工質溫升最小，耗功最少。顯然，只有當壓縮時間遠大於系統恢復熱、質、力平衡所需要的馳豫時間時，飽和濕壓縮才能實現。如果開始時空氣處於飽和狀態，且水溫等於空氣溫度，水壓等於空氣壓力(即開始時空氣與水處於平衡態)，則在飽和濕壓縮過程中，工質時時刻刻處於平衡態或準平衡態，飽和濕壓縮過程是準平衡過程：如果同時無摩擦損耗，則過程是可逆的，這樣的過程即為理想飽和濕壓縮過程。不計壓縮過程與外界交換的熱量，則理想飽和濕壓縮過程是可逆絕熱過程，即定熵過程。
