
【化】 hypersonic flow
high; high-priced; lofty; loud; tall
【醫】 homo-; hyper-; hypsi-; hypso-; per-
exceed; go beyond; overtake
【計】 hyperactive
【醫】 per-; ultra-
velocity of sound
【電】 speed of sound
flow; stream; current; stream of water; class; wandering
【計】 stream
【化】 flow coating(process); stream
【醫】 current; flow; flumen; flumina; rheo-; stream
高超音速流(Hypersonic Flow)指流體速度超過5倍音速(馬赫數≥5)的氣流狀态,是空氣動力學和高速流體力學的重要研究領域。該術語由"高超音速"(hypersonic)和"流"(flow)構成,描述氣體在極端速度下的複雜運動特性。
根據中國空氣動力學會的定義,此類流動具有三個核心特征:
美國航空航天局(NASA)在《高速空氣動力學手冊》中指出,高超音速流研究對航天器再入系統設計、高超聲速飛行器開發具有決定性作用。典型應用包括:
英國皇家航空學會研究顯示,當馬赫數超過12時,電離效應會導緻電磁波傳播異常,這已成為新一代偵察衛星設計的核心考量因素。該現象的計算需采用包含輻射傳熱的N-S方程: $$ frac{partial (rho E)}{partial t} + abla cdot (rho Emathbf{u}) = abla cdot (k abla T) + Phi $$ 式中$Phi$表征粘性耗散項,$k$為熱傳導系數。
高超音速流是指流體速度遠超過聲速(通常指馬赫數Ma≥5)且伴隨特殊物理現象的高速流動狀态,其核心特征和定義如下:
速度範圍
通常以馬赫數Ma≥5為分界線。但具體界限因物體形狀而異:鈍頭體可能從Ma≥3開始呈現高超音速特征,細長體則需Ma≥5。
物理本質
與普通超音速流的區别在于流動中伴隨高溫效應,例如空氣分子分解、電離等化學反應。
激波結構
物體頭部形成弓形離體激波,激波與物體表面之間形成高溫高壓的激波層。
高溫效應
激波層溫度可達數千開爾文(如T≥4000K時空氣電離),導緻氣體熱化學非平衡态。
粘性影響顯著
即使在高馬赫數下,粘性力與慣性力比值(雷諾數)仍不可忽略,需考慮粘性幹擾效應。
航空航天領域
高超音速飛行器(如再入航天器、高超聲速導彈)設計需考慮氣動加熱、材料耐高溫等問題。
理論研究方法
包括牛頓沖擊流理論(適用于高馬赫數鈍體)、薄激波層理論等近似解法,以及數值模拟技術。
如需更深入的理論推導或工程案例,可參考《高超音速流理論》及錢學森相關文獻。
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