高超声速真实气体流动

本书致力于研究空气中或其他大气层中高速飞行时所带来的真实气体流动物理特性和气体动力学效应，特别是在地球和其他行星大气的再入过程中的流动。在专门讨论这些特殊问题前的章节中，先介绍了超声速的基础理论，并在一定程度上介绍了亚声速流动，从统计的方法论角度理解高速气体动力学这是必要的。因此，该专著主要面向航空航天工程专业的博士和硕士研究生，也适用于航空航天相关专业的研究人员。

前言 
第1章 气动模型和气体流动方程 1 
1.1 气动模型概述 1 
1.2 一维流动的气体动力学方程和假设 7 
1.2.1 动量守恒定律 8 
1.2.2 能量守恒定律 9 
1.3 状态方程 11 
1.4 若干分子动力学理论知识 18 
1.5 熵和热力学第二定律 24 
1.6 声速 27 
1.7 流体和气体运动的积分方程：一个简单的例子 32 
1.7.1 质量守恒定律 33 
1.7.2 动量守恒定律 33 
1.7.3 能量方程 33 
1.8 流体介质运动学的若干问题：向量微分算子 39 
1.8.1 粒子轨迹和流线 39 
1.8.2 旋度和变形率 40 
1.8.3 矢量散度 44 
1.8.4 向量对的散度 46 
1.9 气体动力学微分方程 46 
1.9.1 质量守恒或连续方程 46 
1.9.2 动量方程：黏性应力场 47 
1.9.3 能量方程 48 
1.10 牛顿流体和气体的流变模型 50 
1.11 初始条件和边界条件55 
1.11.1 边界条件 56 
1.11.2 气体动力学问题解的存在性和专享性 57 
1.12 气体动力学的相似性和建模 58 
1.12.1 第一种方法：无黏理想气体 58
1.12.2 第二种方法：相似理论 59 
1.12.3 真实气体 62 
1.12.4 非定常流 62 
1.12.5 重液体中的物体运动 63 
1.12.6 自相似性问题 64 
1.13 曲线坐标系：欧拉方程 64 
1.13.1 其他算子 65 
1.13.2 圆柱坐标系 66 
1.13.3 球坐标系 67 
1.13.4 平面和轴对称流动的贴体坐标系 68 
1.13.5 一般坐标系 70 
1.14 曲线坐标中的Navier-Stokes方程 72 
1.15 湍流流动 75 
1.16 黏性和非黏性流动模型 78 
第2章 无黏气体动力学：一般问题和简单解 81 
2.1 流函数、势和涡 81 
2.1.1 旋度和速度环量 82 
2.1.2 速度势 84 
2.2 气体动力学方程积分 85 
2.2.1 定常绝热流动 86 
2.2.2 正压气体的绝热势流 87 
2.3 一维稳态流动 90 
2.3.1 一般方程和马赫数的作用 90 
2.3.2 拉伐尔喷管：等熵流动 92 
2.3.3 热喷流 95 
2.3.4 变流量喷管 95 
2.4 气体动力学线性方程 96 
2.5 声波传播 99 
2.6 非线性效应：膨胀扇和激波 102 
2.7 定常细长体绕流：相似律 104 
2.7.1 相似律 106 
2.7.2 非定常比拟 109 
2.8 超声速流动中的细长体 110 
2.8.1 平面流动 110 
2.8.2 轴对称问题 112
2.9 细长体亚声速绕流 116 
2.10 圆柱、球和其他不可压缩绕流体 123 
2.11 驻点和奇异线 128 
2.11.1 平面有旋和无旋流 128 
2.11.2 轴对称流动 129 
2.11.3 两对称平面 130 
2.11.4 正压梯度驻点 131 
2.11.5 不可压缩楔形绕流 132 
2.11.6 奇异面和奇异线 133 
2.12 亚声速流动作用力 134 
2.13 空气动力学特性 139 
2.14 物体加速运动 142 
第3章 激波 145 
3.1 引言：问题的公式表达 145 
3.2 黏性气体中的激波结构 147 
3.3 接近气体中的正激波149 
3.4 标准气体中激波 155 
3.5 斜激波 162 
3.6 穿过激波的损失 170 
3.7 活塞和楔形体问题 173 
3.7.1 线性近似和二次近似 174 
3.7.2 薄激波层的高超声速近似：牛顿公式 176 
第4章 特征线理论 180 
4.1 问题的数学模型 180 
4.2 一维非定常流动 184 
4.3 二维定常流动 190 
4.4 三维流动 196 
4.5 简单波 199 
4.6 膨胀波和压缩波特性 203 
4.6.1 膨胀波 203 
4.6.2 压缩波 206 
4.7 在非均匀介质中扰动的传播 208 
4.7.1 连续介质中的波 208 
4.7.2 旋涡流动中的短波 209 
4.7.3 激波/接触间断的相互作用 211
4.7.4 来自声速线的扰动反射 214 
4.7.5 在回流点后的流动 214 
4.8 声波和激波的相互作用 215 
4.9 任意间断的破碎 219 
4.9.1 不规则激波相互作用 225 
4.10 薄层中的扰动 227 
4.11 激波阵面方程 231 
4.12 异常介质中的波 236 
第5章 混合（亚声速–超声速）流 240 
5.1 混合流的形成 240 
5.2 跨声速冯·卡门方程和恰普雷金方程 242 
5.3 气体动力学问题的控制方程 247 
5.3.1 超声速流动 248 
5.3.2 亚声速流动 250 
5.3.3 跨声速流动 251 
5.4 钝体的超声速绕流 251 
5.5 喷管和射流 256 
5.5.1 超声速射流 258 
5.5.2 亚声速射流 260 
5.5.3 射流与障碍物的相互作用 260 
5.6 亚声速凸角绕流 261 
5.7 扰动与亚声速区域的相互作用 264 
5.8 定常解的存在性 268 
第6章 自相似解和解群 270 
6.1 基本概念 270 
6.2 不可压缩流中的锥体 271 
6.3 一些跨声速问题 274 
6.4 超声速流动中的锥体 277 
6.5 锥形流动 282 
6.6 攻角下的锥体 285 
6.7 超声速流中的薄三角翼 291 
6.8 强爆炸波 296 
6.9 真实气体中的爆炸 303 
6.10 自相似时变耗散流 305 
第7章 强激波流动 316
7.1 高超声速稳定性和可压缩激波层 316 
7.2 布斯曼公式和牛顿公式 322 
7.3 钝体：相似律 330 
7.4 气动特性 332 
7.5 有限解：自由层 340 
7.6 活塞问题 345 
7.7 驻点附近的级数截断法 348 
7.8 钝体对称轴附近的等密度流 352 
7.9 沿对称轴的变密度流 358 
7.10 三维薄激波层 362 
7.11 锥体对称平面附近的流动 367 
7.12 在高超声速流动中的射流 372 
7.13 退化激波层方程 375 
第8章 尖薄体高超声速绕流 381 
8.1 非线性理论的特征 381 
8.2 基本方程：时变类比 383 
8.3 积分守恒定律的类比 387 
8.4 相似律 389 
8.5 薄翼绕流 392 
8.6 大攻角下的薄体绕流 395 
8.7 非定常流动：曲面体法则 398 
第9章 钝薄体绕流 406 
9.1 钝薄体绕流的一般模式 406 
9.2 相似律和爆炸类比 409 
9.3 高熵层在真实气体效应中的作用 415 
9.4 钝锥绕流 417 
9.5 有攻角的旋转体 426 
9.6 钝前缘翼 435 
9.7 钝头机翼 439 
9.8 钝体三维涡层的一些性质 442 
9.9 流经偏航圆柱体的非均匀高超声速流动 446 
第10章 松弛气体的物理化学模型450
10.1 问题的描述 450 
10.2 松弛介质模型的基本假设 450 
10.3 气体混合物的状态方程 454
10.4 松弛方程与极限流态 459 
10.5 气体成分和基本反应 464 
10.6 熵和平衡条件 467 
10.7 内部自由度的平衡：玻尔兹曼分布 474 
10.8 化学反应平衡与气体组成 479 
10.9 化学反应速率 483 
10.10 复杂系统的弛豫过程 485 
10.11 松弛反应的相互作用 489 
10.12 电子温度的弛豫过程 493 
10.13 结论 495 
第11章 非平衡气体流动 497 
11.1 非平衡气体流动方程 497 
11.2 极限流区 499 
11.2.1 冻结流 500 
11.2.2 平衡流 500 
11.2.3 极限流动的等熵性 502 
11.2.4 准稳态解 503 
11.3 极限声速及其等级 504 
11.4 非平衡气体中扰动的传播速度 509 
11.5 激波和松弛区 511 
11.5.1 高超声速激波 513 
11.5.2 非平衡激波 517 
11.6 非平衡态气体中的短波和弱激波 517 
11.7 近平衡流动和黏性松弛比拟 522 
11.8 松弛介质中稳态波的一般理论 531 
11.9 二元相似律 540 
11.10 流过物体的非平衡流 542 
11.10.1 通过带有附加激波的尖锐物体的流动 543 
11.10.2 超高声速流动中的薄激波层 543 
11.10.3 钝头体驻点 545 
11.10.4 球体和细长球型钝锥（θ=10°） 548 
11.10.5 非平衡高超声速中的物体 554 
11.11 喷流和射流：硬化效应 555 
11.12 热稀疏波 558
11.13 升华波 564 
第12章 黏性流动和边界层 569 
12.1 黏性耗散气体流动的边界条件和运动方程 569 
12.2 Navier-Stokes方程的准确解 573 
12.2.1 一般形式Uδ=cxm 580 
12.3 抛物化的不可压Navier-Stokes方程 580 
12.4 不可压流动的平板边界层 584 
12.5 可压缩Navier-Stoke方程和边界层方程的抛物化 589 
12.6 可压缩气体边界层 595 
12.6.1 平板边界层（超声速尖楔或尖锥边界层流动） 598 
12.6.2 钝头体驻点边界层 603 
12.7 湍流模型和湍流特性 604 
12.8 积分关系和近似方法：钝头体边界层 609 
12.9 黏性–无黏相互作用：基本效应 619 
12.9.1 位移效应 619 
12.9.2 横向曲率效应 620 
12.9.3 尾部效应 621 
12.9.4 外流的非均匀性效应 621 
12.9.5 非薄（或扩散）激波效应 622 
12.10 非均匀流动中的边界层 624 
12.11 非均匀流动中边界层的质量平均参数化方法 628 
12.12 细尖体高超声速边界层 632 
12.13 钝体和薄钝头体的熵效应 645 
12.14 黏性连续介质和激波层流动 662 
12.15 三维边界层问题 677 
12.15.1 耗散流动中的热传导 681 
第13章 多组分气体黏性流动 686 
13.1 非平衡耗散流的物理化学模型 686 
13.2 非平衡边界层和黏性激波层特性 696 
13.2.1 冻结边界层 697 
13.2.2 平衡边界层 697 
13.3 各个组分的运输系数 706 
13.3.1 热导率 706 
13.3.2 黏度 707
13.3.3 扩散性 708 
第14章 辐射气体动力学基本原理 711 
14.1 气体辐射的物理本质 711 
14.2 辐射与吸收喷流中的辐射场 714 
14.3 强辐射气体的流动 720 
14.4 非平衡辐射气体的流动 725 
参考文献 729 
索引 737