邊界層傳熱傳質
正文
物體與氣流作高速相對運動時，在緊貼物面的邊界層中，氣體的溫度和速度等會發生劇烈變化，並常伴隨出現熱和質量交換的現象。這種現象稱為邊界層傳熱傳質。運動速度愈高，這種交換愈劇烈。高速闖入大氣層的流星體就是例子。再入大氣層的太空飛行器的表面和噴氣發動機的內部也存在邊界層傳熱傳質現象。這種現象直接影響有關部件的設計，因而是高速空氣動力學的一個重要研究內容。高速氣流在物體表面會產生劇烈溫度變化的主要原因是：由於粘性作用，高速運動的氣流在邊界層內被物體表面減速，氣體動能轉化成熱能，被減速的部分氣體溫度劇增並達到遠高於物體表面的溫度，於是熱量便由物體表面傳入物體內部。滯止壓力為一個大氣壓力。所謂滯止壓力是指在氣流壓縮時其熵不增加的情況下，氣流減速到靜止時的壓力，相應的溫度為滯止溫度。對於不同飛行速度，空氣可達到的滯止溫度值見下表。由表可見，高速飛行器表面的傳熱現象很顯著。 除了氣流的速度以外，影響邊界層傳熱的還有下列幾種因素：①氣流成分和化學狀態：不同的氣體有不同的熱力學性質和輸運性質，在高溫下有不同的化學反應和反應速率，從而產生不同的熱效應。②繞流物體的形狀：不同形狀的物體，表面壓力分布不同，邊界層內氣體流動的狀態也不同。③邊界層的流態：邊界層有兩種基本流態，層流和湍流。如果其他條件相同，湍流的熱交換比層流大得多。④表面光滑度:在同樣的情況下,粗糙表面的熱交換比光滑表面劇烈得多。⑤表面有否質量交換：由於高速飛行器表面和噴氣發動機內壁溫度很高，一般材料會被熔化和燒穿，所以採用防護手段。防護手段一般都採用質量交換的方法。如"發汗冷卻"法，使能氣化吸熱的物質泄出物體表面，氣化產生的氣體起著一層低溫隔熱氣墊的作用，使整個邊界層變厚，溫度變化變緩，減少氣流傳熱。"燒蝕"法防熱的原理也與此類似。
研究上述因素對邊界層傳熱的影響是邊界層傳熱傳質的重要研究課題。高速氣流在邊界層內因粘性作用被物體表面減速,氣流給物體的反作用則形成摩擦阻力。摩擦阻力、傳熱、傳質現象實質上反映邊界層中動量、能量、質量交換的過程。在一定條件下,三者有相似性,這種相似性常被用來簡化傳熱傳質的理論計算。研究邊界層傳熱傳質的主要理論方法是高速邊界層理論及其有關數值計算方法。隨著計算機的發展，也可直接從納維－斯托克斯方程求解邊界層傳熱問題。風洞實驗、彈道靶實驗和模型飛行試驗等是研究這一問題的主要實驗手段。
參考書目
J.P.Hartnett, et al., Recent Advances in Heatand Mass Transfer,McGraw-Hill,New York,1961.
