
【化】 hypersonic flow
high; high-priced; lofty; loud; tall
【医】 homo-; hyper-; hypsi-; hypso-; per-
exceed; go beyond; overtake
【计】 hyperactive
【医】 per-; ultra-
velocity of sound
【电】 speed of sound
flow; stream; current; stream of water; class; wandering
【计】 stream
【化】 flow coating(process); stream
【医】 current; flow; flumen; flumina; rheo-; stream
高超音速流(Hypersonic Flow)指流体速度超过5倍音速(马赫数≥5)的气流状态,是空气动力学和高速流体力学的重要研究领域。该术语由"高超音速"(hypersonic)和"流"(flow)构成,描述气体在极端速度下的复杂运动特性。
根据中国空气动力学会的定义,此类流动具有三个核心特征:
美国航空航天局(NASA)在《高速空气动力学手册》中指出,高超音速流研究对航天器再入系统设计、高超声速飞行器开发具有决定性作用。典型应用包括:
英国皇家航空学会研究显示,当马赫数超过12时,电离效应会导致电磁波传播异常,这已成为新一代侦察卫星设计的核心考量因素。该现象的计算需采用包含辐射传热的N-S方程: $$ frac{partial (rho E)}{partial t} + abla cdot (rho Emathbf{u}) = abla cdot (k abla T) + Phi $$ 式中$Phi$表征粘性耗散项,$k$为热传导系数。
高超音速流是指流体速度远超过声速(通常指马赫数Ma≥5)且伴随特殊物理现象的高速流动状态,其核心特征和定义如下:
速度范围
通常以马赫数Ma≥5为分界线。但具体界限因物体形状而异:钝头体可能从Ma≥3开始呈现高超音速特征,细长体则需Ma≥5。
物理本质
与普通超音速流的区别在于流动中伴随高温效应,例如空气分子分解、电离等化学反应。
激波结构
物体头部形成弓形离体激波,激波与物体表面之间形成高温高压的激波层。
高温效应
激波层温度可达数千开尔文(如T≥4000K时空气电离),导致气体热化学非平衡态。
粘性影响显著
即使在高马赫数下,粘性力与惯性力比值(雷诺数)仍不可忽略,需考虑粘性干扰效应。
航空航天领域
高超音速飞行器(如再入航天器、高超声速导弹)设计需考虑气动加热、材料耐高温等问题。
理论研究方法
包括牛顿冲击流理论(适用于高马赫数钝体)、薄激波层理论等近似解法,以及数值模拟技术。
如需更深入的理论推导或工程案例,可参考《高超音速流理论》及钱学森相关文献。
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