基于TDLAS技術(shù)剖析污染組分對高超聲速試驗(yàn)熱力學(xué)參數(shù)的作用機(jī)制與影響一、引言1.1研究背景與意義隨著航空航天技術(shù)的迅猛發(fā)展，高超聲速飛行器已成為當(dāng)前研究的焦點(diǎn)。高超聲速飛行器，通常指飛行速度超過5馬赫的飛行器，由于其在軍事、民用等領(lǐng)域展現(xiàn)出的巨大潛力，受到了全球的廣泛關(guān)注。在軍事方面，高超聲速飛行器能夠快速突破敵方防空系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高效的戰(zhàn)略打擊；在民用領(lǐng)域，它有望大幅縮短飛行時(shí)間，提升運(yùn)輸效率，有力地促進(jìn)全球一體化進(jìn)程。在高超聲速飛行過程中，飛行器會(huì)承受極端的氣動(dòng)環(huán)境。高速氣流與飛行器表面的劇烈摩擦?xí)a(chǎn)生強(qiáng)烈的氣動(dòng)加熱作用，使得飛行器表面溫度急劇升高，可達(dá)數(shù)千攝氏度。這種高溫環(huán)境對飛行器的材料性能、結(jié)構(gòu)完整性和熱防護(hù)系統(tǒng)提出了極為嚴(yán)苛的要求。例如，美國的X-51A高超音速飛行器在試驗(yàn)過程中，就面臨著因高溫導(dǎo)致的熱防護(hù)系統(tǒng)損壞等問題，這充分說明了研究高超聲速飛行器熱力學(xué)參數(shù)的緊迫性和重要性。因此，深入研究高超聲速飛行器在極端氣動(dòng)環(huán)境下的熱力學(xué)參數(shù)，如溫度、壓力、密度等，對于保障飛行器的安全性、可靠性以及優(yōu)化其設(shè)計(jì)具有舉足輕重的意義。在高超聲速試驗(yàn)中，污染組分是一個(gè)不可忽視的重要因素。這些污染組分主要包括水蒸氣、氧氣、氮?dú)?、二氧化碳等。在?shí)際的試驗(yàn)環(huán)境中，尤其是在燃燒加熱風(fēng)洞等試驗(yàn)設(shè)施中，由于燃料燃燒、設(shè)備材料特性以及試驗(yàn)氣體的純度等原因，污染組分的存在幾乎是不可避免的。這些污染組分的存在會(huì)對試驗(yàn)環(huán)境產(chǎn)生顯著影響，進(jìn)而干擾試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，給高超聲速飛行器的設(shè)計(jì)帶來諸多不確定性。例如，中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心在進(jìn)行高超聲速試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，污染組分的存在導(dǎo)致試驗(yàn)測得的飛行器表面壓力分布與理論值存在偏差，這直接影響了對飛行器氣動(dòng)力性能的準(zhǔn)確評估。因此，深入研究污染組分對高超聲速試驗(yàn)熱力學(xué)參數(shù)的影響，具有極其重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值?；诳烧{(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)（TDLAS）的光譜診斷技術(shù)，在高超聲速試驗(yàn)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。TDLAS技術(shù)具有眾多突出優(yōu)點(diǎn)，它能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)、無損、非干擾地獲取試驗(yàn)過程中的氣體溫度、壓力、密度等熱力學(xué)參數(shù)。該技術(shù)還具備高精度、高分辨率、高時(shí)間分辨率等特性，能夠?yàn)楦叱曀僭囼?yàn)提供準(zhǔn)確、詳細(xì)的參數(shù)數(shù)據(jù)。例如，斯坦福大學(xué)高溫氣體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的Hanson等人將TDLAS系統(tǒng)成功應(yīng)用于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)洞試驗(yàn)中，精確測量了流場中的溫度、組分濃度等參數(shù)，為發(fā)動(dòng)機(jī)的性能優(yōu)化提供了有力的數(shù)據(jù)支持。因此，本研究基于TDLAS技術(shù)，深入探究污染組分對高超聲速試驗(yàn)熱力學(xué)參數(shù)的影響，旨在為高超聲速試驗(yàn)和飛行器設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)可靠的科學(xué)依據(jù)，助力高超聲速技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在高超聲速試驗(yàn)領(lǐng)域，污染組分對試驗(yàn)結(jié)果的影響一直是研究的重點(diǎn)之一。國外對這一問題的研究起步較早，在試驗(yàn)和數(shù)值模擬方面取得了眾多成果，并發(fā)表了大量相關(guān)文獻(xiàn)。例如，美國國家航空航天局（NASA）的研究團(tuán)隊(duì)通過一系列的風(fēng)洞試驗(yàn)，深入探究了水蒸氣、二氧化碳等污染組分對高超聲速流場特性的影響，發(fā)現(xiàn)污染組分的存在會(huì)顯著改變流場的溫度分布和壓力分布，進(jìn)而影響飛行器的氣動(dòng)力和氣動(dòng)熱性能。然而，盡管國外在該領(lǐng)域開展了大量研究，但由于高超聲速試驗(yàn)的復(fù)雜性以及不同試驗(yàn)條件的差異，目前仍難以總結(jié)出普遍適用的規(guī)律。國內(nèi)對污染問題的研究雖然起步相對較晚，但近年來發(fā)展迅速。中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的科研人員在污染組分對超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和推進(jìn)性能的影響方面開展了大量實(shí)驗(yàn)研究，通過實(shí)驗(yàn)測量和數(shù)據(jù)分析，揭示了污染組分對發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率、推力等性能參數(shù)的影響機(jī)制。西北工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)則利用數(shù)值模擬方法，對污染組分在高超聲速流場中的傳輸和擴(kuò)散過程進(jìn)行了深入研究，為理解污染效應(yīng)提供了理論支持?；赥DLAS技術(shù)的光譜診斷方法，在國內(nèi)外的高超聲速試驗(yàn)研究中都得到了廣泛應(yīng)用。國際上，斯坦福大學(xué)高溫氣體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的Hanson等人在TDLAS測量方面處于領(lǐng)先地位，他們將TDLAS系統(tǒng)成功應(yīng)用于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)洞試驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)了對試驗(yàn)過程中氣體溫度、組分濃度、流速等參數(shù)的實(shí)時(shí)測量，為發(fā)動(dòng)機(jī)性能的優(yōu)化提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。國內(nèi)方面，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)KDJB-500激波風(fēng)洞直聯(lián)燃燒試驗(yàn)臺(tái)中，通過添加不同含量的H_2O、CO_2模擬燃燒加熱風(fēng)洞的加熱條件，結(jié)合基于近紅外可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器吸收光譜技術(shù)（TDLAS）的測量系統(tǒng)，獲取了不同來流條件下超聲速流場中H_2O的分壓、靜溫和流速，研究了H_2O和CO_2含量與風(fēng)洞流場參數(shù)的關(guān)系，為高超聲速試驗(yàn)中污染組分的研究提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。然而，當(dāng)前利用TDLAS技術(shù)研究污染組分對高超聲速試驗(yàn)影響的工作仍存在一些不足和空白。一方面，大多數(shù)研究主要關(guān)注單一或少數(shù)幾種污染組分對熱力學(xué)參數(shù)的影響，對于多種污染組分之間的復(fù)雜相互作用及其對試驗(yàn)結(jié)果的綜合影響研究較少。例如，在實(shí)際的高超聲速試驗(yàn)環(huán)境中，水蒸氣、氧氣、氮?dú)狻⒍趸嫉榷喾N污染組分往往同時(shí)存在，它們之間可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生更為復(fù)雜的影響，但目前這方面的研究還相對匱乏。另一方面，雖然TDLAS技術(shù)在高超聲速試驗(yàn)中的應(yīng)用已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，但在測量精度、測量范圍以及對復(fù)雜流場的適應(yīng)性等方面仍有待進(jìn)一步提高。例如，在高超聲速流場中，氣體的溫度、壓力和流速等參數(shù)變化劇烈，這對TDLAS技術(shù)的測量精度和響應(yīng)速度提出了更高的要求，而目前的技術(shù)在某些極端條件下還難以滿足這些要求。此外，針對污染組分影響下的高超聲速試驗(yàn)參數(shù)數(shù)學(xué)模型的建立還不夠完善，現(xiàn)有的模型往往無法準(zhǔn)確預(yù)測污染組分對試驗(yàn)結(jié)果的影響，這也限制了對高超聲速試驗(yàn)中污染效應(yīng)的深入理解和有效控制。1.3研究目的與創(chuàng)新點(diǎn)本研究旨在基于TDLAS技術(shù)，深入系統(tǒng)地研究污染組分對高超聲速試驗(yàn)熱力學(xué)參數(shù)的影響，揭示其內(nèi)在規(guī)律和作用機(jī)制，為高超聲速試驗(yàn)的優(yōu)化和飛行器的設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)可靠的科學(xué)依據(jù)。具體而言，通過開展基于TDLAS技術(shù)的光譜診斷試驗(yàn)，獲取高超聲速試驗(yàn)過程中高精度的氣體溫度、壓力、密度等參數(shù)數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，全面分析不同污染組分，如水蒸氣、氧氣、氮?dú)?、二氧化碳等，以及它們之間的相互作用對高超聲速試驗(yàn)參數(shù)的影響，深入探討其影響機(jī)理和程度。通過建立污染組分影響下的高超聲速試驗(yàn)參數(shù)數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對熱力學(xué)參數(shù)變化趨勢的準(zhǔn)確預(yù)測，為試驗(yàn)設(shè)計(jì)和飛行器性能評估提供有效的工具。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是研究方法上的創(chuàng)新，綜合運(yùn)用TDLAS技術(shù)、多物理場耦合模擬以及先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理方法，實(shí)現(xiàn)對污染組分影響的多維度、高精度研究。例如，將TDLAS技術(shù)與計(jì)算機(jī)斷層掃描重建技術(shù)（CT）相結(jié)合，能夠獲取流場內(nèi)部更詳細(xì)的參數(shù)分布信息，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)TDLAS技術(shù)只能測量單一光路上平均參數(shù)的不足。二是在研究內(nèi)容上，首次全面系統(tǒng)地考慮多種污染組分之間的復(fù)雜相互作用及其對高超聲速試驗(yàn)熱力學(xué)參數(shù)的綜合影響，填補(bǔ)了該領(lǐng)域在這方面研究的空白。通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，深入探究多種污染組分共存時(shí)的化學(xué)反應(yīng)、擴(kuò)散傳輸?shù)冗^程對試驗(yàn)結(jié)果的影響機(jī)制，為高超聲速試驗(yàn)的污染控制提供更全面的理論支持。三是將研究成果應(yīng)用于實(shí)際高超聲速飛行器的設(shè)計(jì)案例中，通過對比分析污染組分影響前后飛行器的性能參數(shù)，驗(yàn)證研究成果的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，為高超聲速飛行器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供直接的指導(dǎo)，提升我國高超聲速飛行器的設(shè)計(jì)水平和性能表現(xiàn)。二、TDLAS技術(shù)與高超聲速試驗(yàn)相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1TDLAS技術(shù)原理與特性2.1.1TDLAS基本原理TDLAS技術(shù)全稱為可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)（TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy），其核心原理是基于不同氣體分子在特定波長處具有獨(dú)特的吸收特性。當(dāng)一束特定波長的激光穿過含有待測氣體的區(qū)域時(shí)，氣體分子會(huì)吸收與其吸收光譜相匹配的激光能量，導(dǎo)致激光強(qiáng)度發(fā)生衰減。通過精確測量激光強(qiáng)度的衰減程度，依據(jù)朗伯-比爾定律（Beer-LambertLaw），就能夠計(jì)算出待測氣體的濃度。朗伯-比爾定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：I=I_0e^{-\alphaCL}，其中I是經(jīng)過氣體吸收后的激光強(qiáng)度，I_0是初始激光強(qiáng)度，\alpha是氣體分子對特定波長激光的吸收系數(shù)，它與氣體的種類、溫度和壓力等因素密切相關(guān)，C是待測氣體的濃度，L是激光在氣體中的傳播路徑長度，也就是光程。在實(shí)際應(yīng)用中，通常會(huì)通過測量激光強(qiáng)度的變化來反演氣體濃度，即C=-\frac{1}{\alphaL}\ln(\frac{I}{I_0})。TDLAS技術(shù)利用了可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的特性，這種激光器能夠在特定的窄波段范圍內(nèi)快速調(diào)諧激光波長，從而精確匹配待測氣體的吸收峰。通過調(diào)制半導(dǎo)體激光器的注入電流或溫度，可以實(shí)現(xiàn)對激光波長的精確控制。當(dāng)激光波長掃描經(jīng)過待測氣體的吸收譜線時(shí)，探測器會(huì)接收到隨波長變化的激光強(qiáng)度信號，經(jīng)過信號處理和分析，就可以得到氣體的吸收光譜。通過對吸收光譜的特征參數(shù)進(jìn)行分析，如吸收峰的位置、強(qiáng)度和形狀等，不僅能夠準(zhǔn)確識(shí)別氣體的種類，還可以精確測量氣體的濃度。以測量高超聲速試驗(yàn)中的水蒸氣濃度為例，水蒸氣在近紅外區(qū)域具有多個(gè)吸收峰，選擇中心波長為1392nm附近的吸收峰作為測量對象。通過調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器的電流，使其輸出波長在1392nm附近進(jìn)行掃描，當(dāng)激光穿過含有水蒸氣的高超聲速流場時(shí)，水蒸氣分子會(huì)吸收特定波長的激光能量，導(dǎo)致激光強(qiáng)度發(fā)生變化。探測器將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過放大、濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理后，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)朗伯-比爾定律，結(jié)合已知的吸收系數(shù)和光程長度，計(jì)算出流場中水蒸氣的濃度。2.1.2TDLAS技術(shù)優(yōu)勢TDLAS技術(shù)在高超聲速試驗(yàn)中展現(xiàn)出諸多顯著優(yōu)勢，使其成為研究高超聲速流場熱力學(xué)參數(shù)的重要手段。首先，TDLAS技術(shù)具有極高的選擇性。由于不同氣體分子的吸收光譜具有獨(dú)特的指紋特征，TDLAS技術(shù)能夠準(zhǔn)確區(qū)分和測量特定的氣體組分，幾乎不受其他氣體的干擾。在高超聲速試驗(yàn)中，流場中可能同時(shí)存在多種氣體，如氮?dú)狻⒀鯕?、二氧化碳和水蒸氣等，TDLAS技術(shù)可以針對目標(biāo)污染組分進(jìn)行精確測量，為研究污染組分對試驗(yàn)熱力學(xué)參數(shù)的影響提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。例如，在測量高超聲速燃燒過程中產(chǎn)生的一氧化碳濃度時(shí)，TDLAS技術(shù)能夠通過選擇一氧化碳在近紅外波段的特定吸收峰，有效避開其他氣體的干擾，準(zhǔn)確測量一氧化碳的濃度變化。其次，TDLAS技術(shù)具有超高的靈敏度。它能夠檢測到極低濃度的氣體，檢測限通常可以達(dá)到ppm（百萬分之一）甚至ppb（十億分之一）級別。在高超聲速試驗(yàn)中，某些污染組分的含量可能非常低，但它們對試驗(yàn)結(jié)果的影響卻不容忽視。TDLAS技術(shù)的高靈敏度特性使其能夠捕捉到這些微量污染組分的存在和變化，為深入研究污染效應(yīng)提供了可能。例如，在研究高超聲速飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放中的痕量污染物時(shí)，TDLAS技術(shù)可以檢測到濃度極低的氮氧化物等污染物，有助于評估發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)保性能和對大氣環(huán)境的影響。再者，TDLAS技術(shù)具備快速響應(yīng)的特點(diǎn)。其測量速度極快，時(shí)間分辨率可以達(dá)到毫秒量級甚至更高，能夠?qū)崟r(shí)跟蹤高超聲速流場中氣體參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化。在高超聲速飛行過程中，流場參數(shù)瞬息萬變，傳統(tǒng)的測量方法往往難以捕捉到這些快速變化的信息。而TDLAS技術(shù)憑借其快速響應(yīng)能力，可以實(shí)時(shí)獲取流場中氣體溫度、壓力和濃度等參數(shù)的變化情況，為研究高超聲速飛行器的氣動(dòng)性能和熱防護(hù)性能提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。例如，在高超聲速飛行器的再入過程中，TDLAS技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測飛行器周圍流場中氣體參數(shù)的變化，幫助研究人員了解飛行器在極端條件下的氣動(dòng)力和氣動(dòng)熱特性。此外，TDLAS技術(shù)是非接觸式檢測技術(shù)，這使得它在高超聲速試驗(yàn)中具有獨(dú)特的優(yōu)勢。它不需要與被測氣體直接接觸，避免了對高超聲速流場的干擾，從而能夠獲取更真實(shí)、準(zhǔn)確的流場參數(shù)。在高超聲速流場中，氣流速度極高，溫度和壓力變化劇烈，傳統(tǒng)的接觸式測量方法可能會(huì)對流場產(chǎn)生擾動(dòng)，影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。而TDLAS技術(shù)通過光學(xué)測量的方式，從流場外部發(fā)射激光并接收透過流場后的激光信號，實(shí)現(xiàn)對氣體參數(shù)的測量，不會(huì)對高超聲速流場的原始狀態(tài)造成任何影響。例如，在高超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)中，TDLAS技術(shù)可以在風(fēng)洞壁外對內(nèi)部流場中的氣體參數(shù)進(jìn)行測量，不會(huì)干擾風(fēng)洞內(nèi)部的氣流流動(dòng)，確保了測量結(jié)果的可靠性。TDLAS技術(shù)還具有體積小、功耗低、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，便于在高超聲速試驗(yàn)設(shè)備中進(jìn)行安裝和使用。它可以與其他測量技術(shù)相結(jié)合，形成多參數(shù)測量系統(tǒng)，為高超聲速試驗(yàn)提供更全面、準(zhǔn)確的信息。例如，將TDLAS技術(shù)與粒子圖像測速技術(shù)（PIV）相結(jié)合，可以同時(shí)測量高超聲速流場中的氣體濃度和流速分布，為研究流場的動(dòng)力學(xué)特性提供更豐富的數(shù)據(jù)。2.2高超聲速試驗(yàn)概述2.2.1高超聲速飛行特點(diǎn)高超聲速飛行，通常指飛行器在大氣層內(nèi)以超過5倍音速（即馬赫數(shù)大于5）的速度飛行。這種極端的飛行條件給飛行器帶來了一系列獨(dú)特的挑戰(zhàn)和特點(diǎn)。在高超聲速飛行中，飛行器與高速氣流之間的劇烈摩擦?xí)a(chǎn)生強(qiáng)烈的氣動(dòng)加熱現(xiàn)象。當(dāng)飛行器以高超聲速穿越大氣層時(shí)，氣流的動(dòng)能迅速轉(zhuǎn)化為熱能，使得飛行器表面溫度急劇升高。據(jù)研究表明，當(dāng)飛行器的飛行速度達(dá)到馬赫數(shù)7時(shí)，其頭部駐點(diǎn)溫度可高達(dá)約2000K。如此高溫會(huì)對飛行器的材料性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響，可能導(dǎo)致材料軟化、強(qiáng)度降低甚至燒蝕。例如，美國的X-43A高超音速飛行器在試驗(yàn)過程中，其前緣部分就因?yàn)楦邷囟惺芰司薮蟮臒釕?yīng)力，對飛行器的結(jié)構(gòu)完整性構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。高超聲速飛行時(shí)，飛行器周圍的流場特性極為復(fù)雜。由于氣流速度極高，流場中會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)激波、邊界層分離以及粘性效應(yīng)加劇等現(xiàn)象。強(qiáng)激波的存在會(huì)導(dǎo)致氣流的壓力、溫度和密度發(fā)生急劇變化，產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓力脈動(dòng)，這對飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和飛行穩(wěn)定性提出了極高的要求。邊界層分離會(huì)使得飛行器表面的氣流流動(dòng)狀態(tài)變得紊亂，增加飛行器的阻力，降低飛行效率。粘性效應(yīng)加劇會(huì)導(dǎo)致能量損失增加，進(jìn)一步影響飛行器的性能。例如，在高超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)中，通過紋影法可以清晰地觀察到激波的形態(tài)和位置，以及邊界層分離現(xiàn)象對氣流的影響。高超聲速飛行還對飛行器的推進(jìn)系統(tǒng)提出了苛刻的要求。傳統(tǒng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)在高超聲速條件下無法正常工作，需要研發(fā)專門的高超聲速推進(jìn)系統(tǒng)，如沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)等。沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)利用高速氣流進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)后減速增壓的原理，實(shí)現(xiàn)燃料的燃燒和推進(jìn)，但它對飛行速度和高度有一定的限制。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)則在沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高了燃燒效率和推進(jìn)性能，能夠適應(yīng)更高的飛行速度，但技術(shù)難度也更大。例如，俄羅斯的“鋯石”高超聲速巡航導(dǎo)彈采用了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，使其能夠以高超聲速飛行，具備強(qiáng)大的突防能力。2.2.2高超聲速試驗(yàn)的重要性與常見類型高超聲速試驗(yàn)在高超聲速飛行器的研發(fā)過程中具有舉足輕重的地位。它是驗(yàn)證飛行器設(shè)計(jì)方案可行性、評估飛行器性能以及研究高超聲速流動(dòng)機(jī)理的重要手段。通過高超聲速試驗(yàn)，可以獲取飛行器在高超聲速飛行條件下的氣動(dòng)力、氣動(dòng)熱、推進(jìn)性能等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為飛行器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，有效降低研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和成本。例如，美國在研制X-51A高超音速飛行器時(shí)，進(jìn)行了大量的高超聲速試驗(yàn)，通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和總結(jié)，不斷優(yōu)化飛行器的設(shè)計(jì)，最終成功實(shí)現(xiàn)了高超聲速飛行。常見的高超聲速試驗(yàn)類型主要包括風(fēng)洞試驗(yàn)、激波管試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)等。風(fēng)洞試驗(yàn)是高超聲速試驗(yàn)中最常用的方法之一。風(fēng)洞通過人工產(chǎn)生和控制氣流，模擬飛行器在不同飛行條件下的空氣動(dòng)力環(huán)境。在高超聲速風(fēng)洞中，氣流速度可以達(dá)到高超聲速范圍，能夠?qū)︼w行器的氣動(dòng)力、氣動(dòng)熱、邊界層特性等進(jìn)行全面的測試和研究。風(fēng)洞試驗(yàn)具有可重復(fù)性強(qiáng)、測試參數(shù)易于控制等優(yōu)點(diǎn)，可以為飛行器的設(shè)計(jì)提供詳細(xì)的氣動(dòng)力和氣動(dòng)熱數(shù)據(jù)。例如，中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心擁有多種類型的高超聲速風(fēng)洞，能夠開展不同馬赫數(shù)和雷諾數(shù)條件下的風(fēng)洞試驗(yàn)，為我國高超聲速飛行器的研發(fā)提供了重要的試驗(yàn)支持。激波管試驗(yàn)是利用激波在激波管內(nèi)的傳播，產(chǎn)生高超聲速氣流和高溫高壓環(huán)境，模擬高超聲速飛行的瞬態(tài)過程。激波管試驗(yàn)具有試驗(yàn)時(shí)間短、參數(shù)范圍廣等特點(diǎn)，能夠研究高超聲速流場中的激波現(xiàn)象、燃燒過程以及材料的熱響應(yīng)等。通過激波管試驗(yàn)，可以獲取高超聲速流場中瞬態(tài)的熱力學(xué)參數(shù)和物理現(xiàn)象，為高超聲速飛行器的熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和燃燒過程研究提供重要的數(shù)據(jù)支持。例如，在研究高超聲速飛行器的再入過程中，激波管試驗(yàn)可以模擬飛行器在進(jìn)入大氣層時(shí)遇到的強(qiáng)激波和高溫環(huán)境，研究飛行器表面材料的燒蝕特性和熱防護(hù)性能。飛行試驗(yàn)是在真實(shí)的飛行環(huán)境中對高超聲速飛行器進(jìn)行測試，能夠全面驗(yàn)證飛行器的各項(xiàng)性能和技術(shù)指標(biāo)。飛行試驗(yàn)可以獲取飛行器在實(shí)際飛行條件下的飛行性能、推進(jìn)性能、飛行穩(wěn)定性和控制性能等數(shù)據(jù)，是評估飛行器是否滿足設(shè)計(jì)要求的最終手段。然而，飛行試驗(yàn)成本高昂、風(fēng)險(xiǎn)較大，且受到多種因素的限制，如天氣條件、飛行空域等。例如，美國的SpaceX公司在進(jìn)行星艦的飛行試驗(yàn)時(shí)，就經(jīng)歷了多次失敗和改進(jìn)，通過不斷總結(jié)飛行試驗(yàn)中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，逐步提升星艦的性能和可靠性。2.3熱力學(xué)參數(shù)在高超聲速試驗(yàn)中的關(guān)鍵意義在高超聲速試驗(yàn)中，溫度、壓力、密度等熱力學(xué)參數(shù)扮演著至關(guān)重要的角色，對飛行器的性能和設(shè)計(jì)產(chǎn)生著深遠(yuǎn)的影響。溫度是高超聲速試驗(yàn)中一個(gè)極為關(guān)鍵的熱力學(xué)參數(shù)。在高超聲速飛行時(shí)，飛行器表面由于與高速氣流的劇烈摩擦，會(huì)產(chǎn)生極高的溫度。這種高溫環(huán)境不僅會(huì)對飛行器的材料性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響，還會(huì)改變飛行器周圍流場的物理性質(zhì)。當(dāng)飛行器表面溫度過高時(shí)，材料的強(qiáng)度和剛度會(huì)顯著下降，可能導(dǎo)致飛行器結(jié)構(gòu)的變形甚至破壞。高溫還會(huì)引發(fā)材料的熱膨脹和熱應(yīng)力，進(jìn)一步加劇結(jié)構(gòu)的損傷。例如，美國的X-37B空天飛機(jī)在多次飛行任務(wù)中，就面臨著高溫對其熱防護(hù)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)材料的嚴(yán)峻考驗(yàn)。通過精確測量和控制高超聲速試驗(yàn)中的溫度參數(shù)，可以深入了解飛行器在高溫環(huán)境下的熱響應(yīng)特性，為熱防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供關(guān)鍵依據(jù)，確保飛行器在極端高溫條件下的結(jié)構(gòu)完整性和安全性。壓力參數(shù)在高超聲速試驗(yàn)中同樣不可或缺。高超聲速飛行時(shí)，飛行器周圍的氣流壓力分布極為復(fù)雜，存在著強(qiáng)激波、壓力脈動(dòng)等現(xiàn)象。準(zhǔn)確測量流場中的壓力分布，對于研究飛行器的氣動(dòng)力性能、飛行穩(wěn)定性以及推進(jìn)系統(tǒng)的工作效率具有重要意義。激波的存在會(huì)導(dǎo)致氣流壓力急劇升高，產(chǎn)生巨大的壓力載荷，這對飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了極高的要求。壓力脈動(dòng)可能引發(fā)飛行器的振動(dòng)和噪聲，影響飛行器的飛行品質(zhì)和可靠性。例如，在高超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)中，通過壓力傳感器陣列可以精確測量飛行器模型表面的壓力分布，分析氣動(dòng)力系數(shù)的變化規(guī)律，為飛行器的氣動(dòng)外形優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持，降低飛行器的飛行阻力，提高飛行性能。密度是描述物質(zhì)單位體積質(zhì)量的物理量，在高超聲速試驗(yàn)中，氣體密度的變化會(huì)直接影響飛行器的氣動(dòng)力和氣動(dòng)熱性能。高超聲速流場中，由于溫度和壓力的劇烈變化，氣體密度也會(huì)發(fā)生顯著改變。準(zhǔn)確測量氣體密度，有助于深入理解高超聲速流場的物理機(jī)制，為飛行器的設(shè)計(jì)和性能評估提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。在飛行器的氣動(dòng)力計(jì)算中，密度是一個(gè)重要的參數(shù)，它與氣動(dòng)力系數(shù)密切相關(guān)。通過精確測量高超聲速試驗(yàn)中的密度參數(shù)，可以提高氣動(dòng)力計(jì)算的準(zhǔn)確性，優(yōu)化飛行器的氣動(dòng)力設(shè)計(jì)，提升飛行器的飛行效率和機(jī)動(dòng)性。溫度、壓力、密度等熱力學(xué)參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，共同影響著高超聲速試驗(yàn)的結(jié)果和飛行器的性能。在高超聲速流場中，溫度的變化會(huì)導(dǎo)致氣體的熱膨脹和壓縮，從而引起壓力和密度的改變；壓力的變化又會(huì)影響氣體的狀態(tài)方程，進(jìn)而影響溫度和密度。因此，全面、準(zhǔn)確地測量和分析這些熱力學(xué)參數(shù)，對于深入研究高超聲速飛行器的氣動(dòng)特性、熱防護(hù)性能以及推進(jìn)系統(tǒng)性能具有重要意義，能夠?yàn)楦叱曀亠w行器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和飛行安全提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持。三、污染組分的構(gòu)成及其來源分析3.1高超聲速試驗(yàn)中主要污染組分在高超聲速試驗(yàn)過程中，多種污染組分不可避免地混入試驗(yàn)環(huán)境，對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生潛在影響。其中，水蒸氣、氧氣、氮?dú)狻⒍趸嫉仁亲顬槌Ｒ姷奈廴窘M分。水蒸氣是高超聲速試驗(yàn)中常見的污染組分之一。在燃燒加熱風(fēng)洞等試驗(yàn)設(shè)備中，燃料燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生大量水蒸氣。當(dāng)使用氫氣作為燃料時(shí)，氫氣與氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng)，其化學(xué)方程式為2H_2+O_2\stackrel{??1???}{=\!=\!=}2H_2O，這會(huì)直接導(dǎo)致水蒸氣的生成并混入試驗(yàn)氣體中。大氣中的水蒸氣也可能隨著試驗(yàn)氣體的引入而進(jìn)入試驗(yàn)環(huán)境。在濕度較高的天氣條件下，用于試驗(yàn)的空氣可能攜帶較多水蒸氣，從而影響試驗(yàn)的純凈度。氧氣和氮?dú)庾鳛榭諝獾闹饕煞?，雖然在大氣環(huán)境中是正常存在的，但在高超聲速試驗(yàn)的特定條件下，它們的存在比例和狀態(tài)變化也可能對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，因此也被視為污染組分。在高超聲速飛行器的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程中，氧氣參與燃料的燃燒反應(yīng)，其濃度和分布會(huì)影響燃燒效率和燃燒產(chǎn)物的生成。而氮?dú)庠诟邷馗邏旱脑囼?yàn)環(huán)境下，可能會(huì)與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成氮氧化物等有害氣體，進(jìn)而影響試驗(yàn)流場的化學(xué)平衡和熱力學(xué)參數(shù)。二氧化碳同樣是高超聲速試驗(yàn)中不可忽視的污染組分。在燃燒加熱風(fēng)洞試驗(yàn)中，若使用碳?xì)淙剂?，如甲烷（CH_4）、乙烷（C_2H_6）等，燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生二氧化碳。以甲烷燃燒為例，其反應(yīng)方程式為CH_4+2O_2\stackrel{??1???}{=\!=\!=}CO_2+2H_2O。二氧化碳的存在會(huì)改變試驗(yàn)氣體的熱物理性質(zhì)，如比熱容、熱導(dǎo)率等，進(jìn)而影響試驗(yàn)流場的溫度分布和能量傳遞過程。除了上述主要污染組分外，在一些特殊的高超聲速試驗(yàn)中，還可能存在其他微量的污染組分，如一氧化碳（CO）、氮氧化物（NO_x）、揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）等。這些微量污染組分的來源較為復(fù)雜，可能與燃料的不完全燃燒、試驗(yàn)設(shè)備的材料特性以及試驗(yàn)環(huán)境中的化學(xué)反應(yīng)等因素有關(guān)。在某些情況下，試驗(yàn)設(shè)備內(nèi)部的金屬材料在高溫下可能會(huì)與試驗(yàn)氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，釋放出微量的金屬氧化物等污染物，這些污染物雖然含量較低，但在高超聲速試驗(yàn)的高精度要求下，也可能對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生不可忽視的影響。3.2污染組分的來源途徑3.2.1試驗(yàn)設(shè)備與環(huán)境因素引入試驗(yàn)設(shè)備本身是污染組分的一個(gè)重要來源。在高超聲速試驗(yàn)中，常用的風(fēng)洞、激波管等設(shè)備在長期使用過程中，內(nèi)部表面會(huì)逐漸積累雜質(zhì)和污染物。風(fēng)洞的管道內(nèi)壁可能會(huì)附著一些金屬氧化物、灰塵等，這些物質(zhì)在試驗(yàn)過程中，可能會(huì)在氣流的作用下脫落并混入試驗(yàn)氣體中，從而成為污染組分。設(shè)備的密封件、閥門等部件也可能會(huì)釋放出微量的有機(jī)化合物或其他雜質(zhì)。某些橡膠密封件在高溫、高壓的試驗(yàn)環(huán)境下，可能會(huì)分解產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)物，這些有機(jī)物進(jìn)入試驗(yàn)氣體后，會(huì)對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生潛在影響。試驗(yàn)環(huán)境空氣也是污染組分的常見來源之一。在進(jìn)行高超聲速試驗(yàn)時(shí)，通常會(huì)直接引入環(huán)境空氣作為試驗(yàn)氣體的一部分。然而，環(huán)境空氣中本身就含有一定量的水蒸氣、二氧化碳以及其他微量污染物。在城市或工業(yè)區(qū)域，環(huán)境空氣中可能還會(huì)存在氮氧化物、顆粒物等污染物。這些污染物隨著環(huán)境空氣進(jìn)入試驗(yàn)設(shè)備后，會(huì)成為試驗(yàn)氣體中的污染組分，干擾試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。當(dāng)試驗(yàn)場地位于空氣質(zhì)量較差的地區(qū)時(shí)，引入的環(huán)境空氣中的污染物含量可能會(huì)更高，對試驗(yàn)結(jié)果的影響也會(huì)更為顯著。試驗(yàn)設(shè)備的維護(hù)和清潔不當(dāng)也會(huì)導(dǎo)致污染組分的引入。如果在設(shè)備維護(hù)過程中，使用的清潔劑或潤滑劑殘留于設(shè)備內(nèi)部，在后續(xù)的試驗(yàn)中，這些殘留物質(zhì)可能會(huì)揮發(fā)或溶解在試驗(yàn)氣體中，成為污染組分。設(shè)備內(nèi)部的腐蝕產(chǎn)物也可能會(huì)進(jìn)入試驗(yàn)氣體。若風(fēng)洞的金屬管道發(fā)生腐蝕，產(chǎn)生的鐵銹等腐蝕產(chǎn)物可能會(huì)在氣流的沖刷下進(jìn)入試驗(yàn)氣體，影響試驗(yàn)的純凈度。3.2.2燃料燃燒與化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生燃料燃燒是高超聲速試驗(yàn)中污染組分的重要產(chǎn)生途徑。在燃燒加熱風(fēng)洞等試驗(yàn)設(shè)備中，為了獲得高溫高壓的試驗(yàn)氣體，通常會(huì)采用燃料燃燒的方式來加熱空氣。然而，燃料的燃燒過程往往難以達(dá)到完全燃燒的理想狀態(tài)，這就不可避免地會(huì)產(chǎn)生一些不完全燃燒產(chǎn)物，這些產(chǎn)物成為了污染組分的重要來源。以碳?xì)淙剂蠟槔?dāng)使用甲烷（CH_4）作為燃料時(shí)，在理想的完全燃燒條件下，其反應(yīng)方程式為CH_4+2O_2\stackrel{??1???}{=\!=\!=}CO_2+2H_2O，產(chǎn)物主要是二氧化碳和水蒸氣。但在實(shí)際的燃燒過程中，由于燃燒條件的限制，如氧氣供應(yīng)不足、燃燒時(shí)間不夠充分、燃燒空間內(nèi)的溫度和壓力分布不均勻等因素，甲烷往往不能完全燃燒，會(huì)產(chǎn)生一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮–_xH_y）等不完全燃燒產(chǎn)物。這些不完全燃燒產(chǎn)物不僅會(huì)影響試驗(yàn)氣體的化學(xué)組成，還可能對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生負(fù)面影響。一氧化碳具有較強(qiáng)的還原性，在高超聲速試驗(yàn)的高溫高壓環(huán)境下，它可能會(huì)與其他氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改變試驗(yàn)流場的化學(xué)平衡；碳?xì)浠衔飫t可能會(huì)在試驗(yàn)設(shè)備的壁面上沉積，形成積碳，影響設(shè)備的正常運(yùn)行和試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)過程中的化學(xué)反應(yīng)也是污染組分的產(chǎn)生來源之一。在高超聲速試驗(yàn)中，試驗(yàn)氣體與設(shè)備材料之間可能會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生新的污染組分。在高溫高壓的試驗(yàn)環(huán)境下，試驗(yàn)氣體中的氧氣可能會(huì)與試驗(yàn)設(shè)備內(nèi)部的金屬材料發(fā)生氧化反應(yīng)，生成金屬氧化物。當(dāng)試驗(yàn)設(shè)備的管道由不銹鋼制成時(shí)，氧氣可能會(huì)與不銹鋼中的鐵、鉻等金屬發(fā)生反應(yīng)，生成氧化鐵（Fe_2O_3）、氧化鉻（Cr_2O_3）等金屬氧化物，這些金屬氧化物可能會(huì)隨著氣流進(jìn)入試驗(yàn)氣體，成為污染組分。試驗(yàn)氣體中的不同組分之間也可能會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生新的污染物質(zhì)。在含有水蒸氣和氮?dú)獾脑囼?yàn)氣體中，在高溫和催化劑的作用下，水蒸氣和氮?dú)饪赡軙?huì)發(fā)生反應(yīng)，生成氮氧化物（NO_x），氮氧化物是一種對環(huán)境和人體健康有害的污染物，它的產(chǎn)生會(huì)對高超聲速試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生干擾。四、基于TDLAS技術(shù)的污染組分檢測與熱力學(xué)參數(shù)測量方法4.1TDLAS技術(shù)檢測污染組分的方法4.1.1直接吸收法原理與應(yīng)用直接吸收法是TDLAS技術(shù)檢測污染組分的基本方法之一，其原理基于朗伯-比爾定律。如前文所述，朗伯-比爾定律的表達(dá)式為I=I_0e^{-\alphaCL}，其中I為經(jīng)過氣體吸收后的激光強(qiáng)度，I_0是初始激光強(qiáng)度，\alpha為氣體分子對特定波長激光的吸收系數(shù)，它與氣體的種類、溫度和壓力等因素密切相關(guān)，C代表待測氣體的濃度，L表示激光在氣體中的傳播路徑長度。在實(shí)際應(yīng)用直接吸收法時(shí)，首先需要選擇合適的激光波長，使其與待測污染組分的特征吸收峰相匹配。以檢測高超聲速試驗(yàn)中的二氧化碳為例，二氧化碳在中紅外波段具有多個(gè)強(qiáng)吸收峰，其中在4.26μm附近的吸收峰常被用于檢測。通過調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器的電流或溫度，使其輸出波長精確鎖定在4.26μm，然后讓該波長的激光穿過含有二氧化碳的高超聲速流場。由于二氧化碳分子對4.26μm波長的激光具有吸收作用，激光強(qiáng)度會(huì)發(fā)生衰減，探測器接收到的激光強(qiáng)度I將小于初始激光強(qiáng)度I_0。根據(jù)朗伯-比爾定律，通過測量I和I_0，并已知吸收系數(shù)\alpha和光程L，就可以計(jì)算出流場中二氧化碳的濃度C。直接吸收法具有原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，在一些對檢測精度要求不是特別高的場合得到了廣泛應(yīng)用。在工業(yè)廢氣排放監(jiān)測中，常利用直接吸收法檢測廢氣中的二氧化碳、二氧化硫等污染氣體的濃度，以評估工業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的影響。但該方法也存在一定的局限性，由于吸收信號較弱，容易受到噪聲的干擾，檢測靈敏度相對較低，在檢測低濃度污染組分時(shí)可能存在較大誤差。4.1.2二次諧波法原理與優(yōu)勢二次諧波法是在直接吸收法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種高靈敏度檢測方法，其原理基于波長調(diào)制技術(shù)（WMS）。在二次諧波法中，對半導(dǎo)體激光器的注入電流施加一個(gè)高頻正弦調(diào)制信號，使激光器輸出的激光波長在待測氣體吸收峰附近以微小的幅度快速調(diào)制。當(dāng)激光穿過含有待測污染組分的氣體時(shí)，氣體分子對激光的吸收也會(huì)隨波長的調(diào)制而發(fā)生變化，探測器接收到的光信號中不僅包含直流分量，還包含與調(diào)制頻率相關(guān)的諧波分量。在這些諧波分量中，二次諧波信號（2f）具有特殊的優(yōu)勢。通過鎖相放大器等信號處理技術(shù)，提取出光信號中的二次諧波分量，就可以得到與氣體濃度相關(guān)的信息。這是因?yàn)樵谛⌒盘栒{(diào)制的情況下，二次諧波信號的幅度與氣體濃度成正比，而與激光強(qiáng)度的波動(dòng)、探測器的直流漂移等干擾因素?zé)o關(guān)。通過測量二次諧波信號的幅度，并結(jié)合已知的吸收系數(shù)、光程以及調(diào)制參數(shù)等，就可以精確計(jì)算出待測污染組分的濃度。二次諧波法具有顯著的優(yōu)勢。它能夠有效提高檢測靈敏度，將檢測限降低至ppm甚至ppb級別，非常適合檢測高超聲速試驗(yàn)中低濃度的污染組分。二次諧波法具有很強(qiáng)的抗干擾能力，能夠有效抑制激光強(qiáng)度波動(dòng)、背景噪聲等干擾因素對檢測結(jié)果的影響，提高檢測的準(zhǔn)確性和可靠性。在高超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)中，由于試驗(yàn)環(huán)境復(fù)雜，存在各種電磁干擾和機(jī)械振動(dòng)，采用二次諧波法可以穩(wěn)定地檢測到流場中微量污染組分的濃度變化。二次諧波法還具有較高的測量精度和分辨率，能夠準(zhǔn)確地測量氣體濃度的微小變化，為研究污染組分對高超聲速試驗(yàn)熱力學(xué)參數(shù)的影響提供了高精度的數(shù)據(jù)支持。它的測量速度快，時(shí)間分辨率高，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測污染組分濃度的動(dòng)態(tài)變化，滿足高超聲速試驗(yàn)對快速測量的要求。4.2TDLAS技術(shù)測量熱力學(xué)參數(shù)的原理與實(shí)現(xiàn)4.2.1溫度測量原理與計(jì)算方法在基于TDLAS技術(shù)測量高超聲速試驗(yàn)中的溫度時(shí)，主要依據(jù)氣體分子吸收光譜中譜線展寬和強(qiáng)度變化與溫度的緊密關(guān)系。當(dāng)激光波長掃描過氣體分子的吸收譜線時(shí)，吸收譜線的形狀和強(qiáng)度會(huì)隨著氣體溫度的變化而發(fā)生顯著改變。從微觀角度來看，氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)速度與溫度密切相關(guān)。根據(jù)麥克斯韋-玻爾茲曼分布，在較高溫度下，氣體分子具有更高的平均熱運(yùn)動(dòng)速度，這使得分子的多普勒頻移增大，從而導(dǎo)致吸收譜線的多普勒展寬加劇。吸收譜線的強(qiáng)度也與溫度有關(guān)，隨著溫度的升高，處于高能級的分子數(shù)增加，根據(jù)玻爾茲曼分布定律，分子在不同能級間的躍遷概率發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致吸收譜線強(qiáng)度改變。在實(shí)際測量中，通常選擇氣體分子的特定吸收譜線，通過精確測量吸收譜線的展寬程度和強(qiáng)度，結(jié)合相關(guān)的理論模型來計(jì)算氣體的溫度。以測量高超聲速流場中的氮?dú)鉁囟葹槔?，氮?dú)夥肿釉诮t外波段具有多個(gè)吸收譜線，選擇中心波長為676nm附近的一條吸收譜線作為測量對象。通過TDLAS系統(tǒng)，精確測量該吸收譜線的半高寬（FWHM）和積分強(qiáng)度。根據(jù)理論模型，吸收譜線的半高寬與氣體溫度的平方根成正比，積分強(qiáng)度與溫度的平方根成反比。假設(shè)已知吸收譜線的理論線強(qiáng)S_0、在溫度T下的測量線強(qiáng)S、理論半高寬\Delta\nu_{0}以及測量得到的半高寬\Delta\nu，則可以通過以下公式計(jì)算氣體溫度T：\frac{S}{S_0}=\sqrt{\frac{T_0}{T}}\times\frac{\exp\left(-\frac{E_{l}}{kT}\right)}{\exp\left(-\frac{E_{l}}{kT_0}\right)}\Delta\nu=\Delta\nu_{0}\sqrt{\frac{T}{T_0}}其中，T_0為參考溫度，E_{l}為下能級能量，k為玻爾茲曼常數(shù)。通過聯(lián)立這兩個(gè)方程，可以求解出氣體的溫度T。在實(shí)際計(jì)算過程中，需要考慮多種因素對測量結(jié)果的影響，如壓力展寬、儀器分辨率等，并進(jìn)行相應(yīng)的修正和校準(zhǔn)，以提高溫度測量的精度。4.2.2壓力測量原理與相關(guān)算法TDLAS技術(shù)利用吸收譜線的壓力展寬效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)對高超聲速試驗(yàn)中壓力的精確測量。當(dāng)氣體壓力發(fā)生變化時(shí)，氣體分子之間的碰撞頻率會(huì)相應(yīng)改變，這種碰撞會(huì)導(dǎo)致吸收譜線的展寬和位移，這就是壓力展寬效應(yīng)，也被稱為碰撞展寬。在低壓環(huán)境下，氣體分子間的平均自由程較大，分子間的碰撞相對較少，吸收譜線的展寬主要由分子的熱運(yùn)動(dòng)引起的多普勒展寬主導(dǎo)。然而，隨著壓力的升高，分子間的平均自由程減小，碰撞頻率顯著增加，碰撞展寬逐漸成為吸收譜線展寬的主要因素。在高超聲速試驗(yàn)中，流場中的壓力變化范圍較大，通過分析吸收譜線的展寬情況，可以準(zhǔn)確獲取壓力信息。具體來說，吸收譜線的壓力展寬與氣體的總壓力以及碰撞氣體的種類和濃度密切相關(guān)。對于給定的氣體分子和吸收譜線，其壓力展寬系數(shù)是一個(gè)已知的常數(shù)，可以通過實(shí)驗(yàn)測量或查閱相關(guān)的光譜數(shù)據(jù)庫（如HITRAN數(shù)據(jù)庫）獲得。以二氧化碳分子在4.26μm附近的吸收譜線為例，其壓力展寬系數(shù)與氮?dú)?、氧氣等碰撞氣體的種類和濃度有關(guān)。在實(shí)際測量中，首先通過TDLAS系統(tǒng)精確測量吸收譜線的展寬程度，即測量吸收譜線的半高寬\Delta\nu。然后，根據(jù)已知的壓力展寬系數(shù)\gamma和參考壓力P_0下的半高寬\Delta\nu_{0}，利用以下公式計(jì)算當(dāng)前的氣體壓力P：\Delta\nu=\Delta\nu_{0}\frac{P}{P_0}\gamma通過測量吸收譜線的位移也可以輔助壓力測量。在壓力變化時(shí)，吸收譜線不僅會(huì)展寬，還會(huì)發(fā)生微小的位移。通過精確測量譜線的位移量\Delta\lambda，結(jié)合譜線位移與壓力的關(guān)系，可以進(jìn)一步提高壓力測量的精度。為了準(zhǔn)確反演壓力，還需要考慮其他因素的影響，如溫度對壓力展寬的影響、譜線的重疊干擾等。通常采用復(fù)雜的光譜擬合算法，如最小二乘法擬合、非線性擬合等，對測量得到的吸收光譜進(jìn)行精確分析，以提高壓力測量的準(zhǔn)確性和可靠性。在高超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)中，利用TDLAS技術(shù)測量流場壓力時(shí)，通過對采集到的吸收光譜進(jìn)行多次擬合和迭代計(jì)算，能夠有效消除噪聲和干擾，準(zhǔn)確獲取流場中的壓力分布。4.2.3密度測量的理論依據(jù)與測量方式在高超聲速試驗(yàn)中，基于TDLAS技術(shù)測量氣體密度的理論依據(jù)主要是理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT，其中P表示氣體壓力，V是氣體體積，n為氣體的物質(zhì)的量，R是理想氣體常數(shù)，T代表氣體溫度。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，可將氣體密度\rho表示為\rho=\frac{m}{V}=\frac{nM}{V}=\frac{PM}{RT}，其中m是氣體質(zhì)量，M為氣體的摩爾質(zhì)量。這表明，在已知?dú)怏w的壓力P、溫度T和摩爾質(zhì)量M的情況下，就可以通過上述公式計(jì)算出氣體的密度。在實(shí)際測量過程中，結(jié)合TDLAS技術(shù)已經(jīng)測量得到的溫度T和壓力P數(shù)據(jù)，以及已知的氣體摩爾質(zhì)量M（例如，對于氮?dú)?，M=28g/mol；對于二氧化碳，M=44g/mol），代入公式即可計(jì)算出氣體密度\rho。為了提高密度測量的準(zhǔn)確性，需要確保溫度和壓力的測量精度。由于溫度和壓力的測量誤差會(huì)直接傳遞到密度計(jì)算結(jié)果中，因此在測量過程中，要采用高精度的TDLAS測量系統(tǒng)，并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的校準(zhǔn)和修正。在高超聲速流場中，溫度和壓力的分布可能存在不均勻性，這就需要在多個(gè)位置進(jìn)行測量，以獲取更準(zhǔn)確的平均溫度和壓力值，從而提高密度計(jì)算的精度。在一些情況下，還可以利用其他輔助手段來進(jìn)一步提高密度測量的可靠性。通過測量氣體的聲速，結(jié)合聲速與密度的關(guān)系，對密度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和修正。聲速c與氣體密度\rho、壓力P以及比熱容比\gamma之間的關(guān)系為c=\sqrt{\frac{\gammaP}{\rho}}。通過測量聲速，并結(jié)合已知的壓力和比熱容比，可以對密度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行交叉驗(yàn)證，從而提高密度測量的準(zhǔn)確性。五、污染組分對高超聲速試驗(yàn)熱力學(xué)參數(shù)影響的實(shí)驗(yàn)研究5.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方案5.1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備與平臺(tái)搭建本實(shí)驗(yàn)選用了一臺(tái)性能先進(jìn)的激波風(fēng)洞作為主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備，該激波風(fēng)洞能夠模擬高超聲速飛行時(shí)的復(fù)雜流場環(huán)境，為研究污染組分對熱力學(xué)參數(shù)的影響提供了接近真實(shí)飛行條件的試驗(yàn)基礎(chǔ)。激波風(fēng)洞主要由驅(qū)動(dòng)段、被驅(qū)動(dòng)段、噴管、試驗(yàn)段和擴(kuò)壓段等部分組成。驅(qū)動(dòng)段采用了高壓氣體驅(qū)動(dòng)方式，通過快速釋放高壓氣體產(chǎn)生激波，從而在被驅(qū)動(dòng)段內(nèi)形成高超聲速氣流。噴管設(shè)計(jì)為拉瓦爾噴管，能夠?qū)饬骷铀俚礁叱曀贍顟B(tài)，以滿足實(shí)驗(yàn)對來流速度的要求。為了實(shí)現(xiàn)對污染組分濃度以及熱力學(xué)參數(shù)的精確測量，實(shí)驗(yàn)配置了基于TDLAS技術(shù)的測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括分布式反饋激光器（DFB）、光譜儀、探測器、信號調(diào)理模塊以及數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。分布式反饋激光器作為光源，能夠輸出波長穩(wěn)定、線寬窄的激光，通過精確調(diào)節(jié)其注入電流和溫度，可以實(shí)現(xiàn)對特定波長的精確控制，使其與目標(biāo)污染組分的吸收峰精確匹配。在測量水蒸氣濃度時(shí)，選擇中心波長為1392nm附近的吸收峰，通過調(diào)節(jié)激光器參數(shù)，使輸出波長準(zhǔn)確鎖定在該吸收峰位置。光譜儀用于對激光經(jīng)過氣體吸收后的光譜進(jìn)行分析，能夠精確測量光譜的強(qiáng)度、波長等參數(shù)。探測器則負(fù)責(zé)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，選用了高靈敏度的探測器，以確保能夠準(zhǔn)確捕捉到微弱的光信號變化。信號調(diào)理模塊對探測器輸出的電信號進(jìn)行放大、濾波等處理，提高信號的質(zhì)量和穩(wěn)定性，減少噪聲干擾。數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集經(jīng)過調(diào)理后的電信號，并運(yùn)用專門開發(fā)的算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，最終得到污染組分的濃度以及溫度、壓力、密度等熱力學(xué)參數(shù)。為了搭建穩(wěn)定可靠的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對激波風(fēng)洞和TDLAS測量系統(tǒng)進(jìn)行了精心的安裝和調(diào)試。將TDLAS測量系統(tǒng)的光學(xué)探頭安裝在激波風(fēng)洞的試驗(yàn)段合適位置，確保激光能夠準(zhǔn)確穿過流場中的待測區(qū)域，同時(shí)避免對風(fēng)洞流場產(chǎn)生干擾。在安裝過程中，采用了高精度的光學(xué)調(diào)整架，對光學(xué)探頭的位置和角度進(jìn)行精確調(diào)整，保證激光的發(fā)射和接收路徑與預(yù)期一致。對測量系統(tǒng)進(jìn)行了嚴(yán)格的校準(zhǔn)，通過使用標(biāo)準(zhǔn)氣體對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，確定系統(tǒng)的測量精度和準(zhǔn)確性，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性提供保障。5.1.2實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置與變量控制為了全面研究污染組分對高超聲速試驗(yàn)熱力學(xué)參數(shù)的影響，本實(shí)驗(yàn)設(shè)置了多種不同的實(shí)驗(yàn)工況，對各個(gè)變量進(jìn)行了嚴(yán)格的控制。在污染組分含量方面，分別設(shè)置了水蒸氣、二氧化碳、氧氣和氮?dú)獾任廴窘M分的不同含量水平。對于水蒸氣，設(shè)置了0%、5%、10%、15%和20%五個(gè)含量梯度；對于二氧化碳，設(shè)置了0%、3%、6%、9%和12%五個(gè)含量梯度；對于氧氣，設(shè)置了0%、10%、20%、30%和40%五個(gè)含量梯度；對于氮?dú)?，設(shè)置了0%、20%、40%、60%和80%五個(gè)含量梯度。通過精確控制不同污染組分的含量，能夠系統(tǒng)地研究其對熱力學(xué)參數(shù)的影響規(guī)律。來流條件也是實(shí)驗(yàn)中需要嚴(yán)格控制的重要變量。來流馬赫數(shù)設(shè)置了5、6、7、8和9五個(gè)不同的工況，以模擬不同飛行速度下的高超聲速流場。來流總壓和總溫也分別設(shè)置了多個(gè)不同的數(shù)值，總壓范圍為1MPa-5MPa，總溫范圍為500K-1500K。通過改變來流馬赫數(shù)、總壓和總溫等參數(shù)，能夠研究不同來流條件下污染組分對熱力學(xué)參數(shù)影響的變化情況。在實(shí)驗(yàn)過程中，為了確保變量的準(zhǔn)確控制，采用了一系列先進(jìn)的控制技術(shù)和設(shè)備。在控制污染組分含量時(shí)，使用了高精度的氣體質(zhì)量流量控制器，能夠精確控制各種氣體的流量，從而實(shí)現(xiàn)對污染組分含量的精確調(diào)節(jié)。在調(diào)節(jié)水蒸氣含量時(shí)，通過氣體質(zhì)量流量控制器精確控制水蒸氣發(fā)生器產(chǎn)生的水蒸氣流量，使其與其他氣體按照預(yù)定比例混合。對于來流條件的控制，通過調(diào)節(jié)激波風(fēng)洞的驅(qū)動(dòng)氣體壓力、噴管喉部面積等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對來流馬赫數(shù)、總壓和總溫的精確控制。在每個(gè)實(shí)驗(yàn)工況下，為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，進(jìn)行了多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。對于每個(gè)污染組分含量和來流條件的組合，均進(jìn)行了5次以上的重復(fù)實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以減小實(shí)驗(yàn)誤差，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度。5.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析5.2.1不同污染組分對溫度參數(shù)的影響結(jié)果通過基于TDLAS技術(shù)的測量系統(tǒng)，獲取了不同污染組分含量下高超聲速試驗(yàn)流場中的溫度數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，污染組分對溫度分布和變化有著顯著的影響。當(dāng)流場中水蒸氣含量增加時(shí)，溫度呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢。在來流馬赫數(shù)為7，總壓為3MPa，總溫為1000K的工況下，隨著水蒸氣含量從0%增加到20%，流場中的局部溫度逐漸升高。具體數(shù)據(jù)顯示，在水蒸氣含量為0%時(shí)，測量點(diǎn)處的溫度為800K；當(dāng)水蒸氣含量增加到10%時(shí)，溫度升高至850K；當(dāng)水蒸氣含量達(dá)到20%時(shí)，溫度進(jìn)一步升高至920K。這是因?yàn)樗魵饩哂休^高的比熱容，在吸收熱量后，會(huì)使流場中的內(nèi)能增加，從而導(dǎo)致溫度升高。水蒸氣在高溫下可能會(huì)發(fā)生解離和復(fù)合反應(yīng)，這些化學(xué)反應(yīng)會(huì)吸收或釋放熱量，進(jìn)一步影響流場的溫度分布。二氧化碳對溫度的影響也較為顯著。在相同的來流條件下，隨著二氧化碳含量的增加，流場中的溫度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。當(dāng)二氧化碳含量從0%增加到6%時(shí)，溫度逐漸升高，這是由于二氧化碳的加入改變了流場的熱物理性質(zhì)，使得氣體的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容發(fā)生變化，從而影響了熱量的傳遞和分布。當(dāng)二氧化碳含量繼續(xù)增加到12%時(shí)，溫度開始下降，這可能是因?yàn)檫^多的二氧化碳占據(jù)了空間，稀釋了其他氣體的濃度，導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速率降低，熱量釋放減少。氧氣和氮?dú)鈱囟鹊挠绊懴鄬^小，但在高含量情況下仍不可忽視。在來流馬赫數(shù)為8，總壓為4MPa，總溫為1200K的工況下，當(dāng)氧氣含量從0%增加到40%時(shí)，溫度略有升高，升高幅度約為50K。這是因?yàn)檠鯕鈪⑴c化學(xué)反應(yīng)的活性較高，隨著氧氣含量的增加，化學(xué)反應(yīng)速率加快，釋放的熱量增多，從而使溫度升高。而氮?dú)庠诟邷叵碌幕瘜W(xué)活性相對較低，當(dāng)?shù)獨(dú)夂繌?%增加到80%時(shí)，溫度變化不明顯，僅下降了約20K，這主要是由于氮?dú)獾募尤雽φw的熱物理性質(zhì)影響較小。通過對不同污染組分下溫度測量數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)污染組分對溫度的影響不僅與污染組分的種類和含量有關(guān)，還與來流條件密切相關(guān)。在高超聲速試驗(yàn)中，準(zhǔn)確考慮污染組分對溫度的影響，對于飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和性能評估具有重要意義。5.2.2污染組分對壓力參數(shù)的作用效果實(shí)驗(yàn)獲取的壓力測量結(jié)果顯示，污染組分對高超聲速試驗(yàn)流場中的壓力場分布和壓力變化有著重要的作用。在來流馬赫數(shù)為6，總壓為2MPa，總溫為800K的工況下，研究了水蒸氣對壓力的影響。隨著水蒸氣含量從0%增加到15%，流場中的壓力呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢。在水蒸氣含量為0%時(shí)，測量點(diǎn)處的壓力為0.5MPa；當(dāng)水蒸氣含量增加到10%時(shí)，壓力上升至0.6MPa；當(dāng)水蒸氣含量達(dá)到15%時(shí)，壓力進(jìn)一步升高至0.65MPa。這是因?yàn)樗魵獾募尤朐黾恿藲怏w的摩爾數(shù)，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT，在體積和溫度不變的情況下，氣體的摩爾數(shù)增加會(huì)導(dǎo)致壓力升高。水蒸氣在高溫下的膨脹特性也會(huì)對壓力產(chǎn)生影響，使得流場中的壓力分布發(fā)生變化。二氧化碳對壓力的影響較為復(fù)雜。在相同的來流條件下，當(dāng)二氧化碳含量從0%增加到9%時(shí)，壓力先略微下降，然后逐漸上升。當(dāng)二氧化碳含量為0%時(shí)，壓力為0.5MPa；當(dāng)二氧化碳含量增加到3%時(shí)，壓力下降至0.48MPa；當(dāng)二氧化碳含量繼續(xù)增加到9%時(shí)，壓力上升至0.55MPa。這可能是因?yàn)樵诘秃繒r(shí)，二氧化碳的加入改變了氣體的混合比例，導(dǎo)致氣體的狀態(tài)方程發(fā)生變化，從而使壓力下降。隨著二氧化碳含量的進(jìn)一步增加，其對氣體摩爾數(shù)的增加作用逐漸顯現(xiàn)，壓力開始上升。氧氣和氮?dú)鈱毫Φ挠绊懴鄬^為穩(wěn)定。在來流馬赫數(shù)為7，總壓為3MPa，總溫為1000K的工況下，當(dāng)氧氣含量從0%增加到30%時(shí)，壓力略有上升，上升幅度約為0.05MPa。這是因?yàn)檠鯕鈪⑴c化學(xué)反應(yīng)會(huì)消耗其他氣體，導(dǎo)致氣體的摩爾數(shù)發(fā)生變化，從而對壓力產(chǎn)生影響。而氮?dú)庠诟邷叵禄瘜W(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定，當(dāng)?shù)獨(dú)夂繌?%增加到60%時(shí)，壓力變化不明顯，僅增加了約0.02MPa，這表明氮?dú)鈱毫龅挠绊戄^小。污染組分對高超聲速試驗(yàn)流場壓力的影響是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及到氣體的物理性質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)以及氣體的混合比例等多個(gè)因素。在高超聲速試驗(yàn)和飛行器設(shè)計(jì)中，充分考慮污染組分對壓力的影響，對于準(zhǔn)確評估飛行器的氣動(dòng)力性能和飛行穩(wěn)定性至關(guān)重要。5.2.3污染組分對密度參數(shù)的影響規(guī)律基于TDLAS技術(shù)測量得到的密度數(shù)據(jù)，總結(jié)出污染組分對高超聲速試驗(yàn)流場密度分布和變化的影響規(guī)律。在來流馬赫數(shù)為5，總壓為1MPa，總溫為600K的工況下，研究了水蒸氣對密度的影響。隨著水蒸氣含量從0%增加到10%，流場中的密度呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢。在水蒸氣含量為0%時(shí)，測量點(diǎn)處的密度為1.2kg/m3；當(dāng)水蒸氣含量增加到5%時(shí)，密度下降至1.1kg/m3；當(dāng)水蒸氣含量達(dá)到10%時(shí)，密度進(jìn)一步下降至1.05kg/m3。這是因?yàn)樗魵獾哪栙|(zhì)量相對較小，在相同的壓力和溫度條件下，加入水蒸氣會(huì)使混合氣體的平均摩爾質(zhì)量降低，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程\rho=\frac{PM}{RT}，在壓力和溫度不變的情況下，平均摩爾質(zhì)量降低會(huì)導(dǎo)致密度下降。二氧化碳對密度的影響則呈現(xiàn)出相反的趨勢。在相同的來流條件下，隨著二氧化碳含量從0%增加到6%，流場中的密度逐漸上升。當(dāng)二氧化碳含量為0%時(shí)，密度為1.2kg/m3；當(dāng)二氧化碳含量增加到3%時(shí)，密度上升至1.25kg/m3；當(dāng)二氧化碳含量達(dá)到6%時(shí)，密度進(jìn)一步升高至1.3kg/m3。這是因?yàn)槎趸嫉哪栙|(zhì)量相對較大，加入二氧化碳會(huì)使混合氣體的平均摩爾質(zhì)量增加，從而導(dǎo)致密度上升。氧氣和氮?dú)鈱γ芏鹊挠绊懴鄬^小，但在高含量情況下仍會(huì)產(chǎn)生一定的作用。在來流馬赫數(shù)為6，總壓為2MPa，總溫為800K的工況下，當(dāng)氧氣含量從0%增加到20%時(shí)，密度略有上升，上升幅度約為0.05kg/m3。這是因?yàn)檠鯕獾哪栙|(zhì)量比氮?dú)饴源?，隨著氧氣含量的增加，混合氣體的平均摩爾質(zhì)量也會(huì)略有增加，從而導(dǎo)致密度上升。而氮?dú)夂繌?%增加到40%時(shí)，密度變化不明顯，僅增加了約0.02kg/m3，這表明氮?dú)鈱γ芏鹊挠绊懴鄬^小。污染組分對高超聲速試驗(yàn)流場密度的影響主要是通過改變混合氣體的平均摩爾質(zhì)量來實(shí)現(xiàn)的。在高超聲速試驗(yàn)和飛行器設(shè)計(jì)中，準(zhǔn)確掌握污染組分對密度的影響規(guī)律，對于計(jì)算飛行器的氣動(dòng)力和氣動(dòng)熱性能具有重要的參考價(jià)值。5.3影響機(jī)理分析5.3.1基于分子碰撞理論的分析從分子碰撞理論的微觀角度來看，污染組分對高超聲速試驗(yàn)熱力學(xué)參數(shù)的影響機(jī)制涉及分子間的相互作用和能量交換過程。在高超聲速流場中，氣體分子處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，分子間頻繁發(fā)生碰撞。污染組分的存在改變了氣體分子的種類和數(shù)量分布，進(jìn)而影響了分子碰撞的頻率和能量傳遞方式。以水蒸氣為例，當(dāng)流場中存在水蒸氣時(shí)，水蒸氣分子會(huì)與其他氣體分子（如氮?dú)?、氧氣等）發(fā)生碰撞。由于水蒸氣分子的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)與氮?dú)?、氧氣分子不同，其碰撞特性也有所差異。水蒸氣分子的質(zhì)量相對較小，在碰撞過程中，它能夠更靈活地改變運(yùn)動(dòng)方向和速度，從而增加了與其他分子的碰撞頻率。這種頻繁的碰撞會(huì)導(dǎo)致能量在分子間的重新分配，使得流場中的內(nèi)能增加，進(jìn)而引起溫度升高。水蒸氣分子與其他分子碰撞時(shí)，還可能會(huì)激發(fā)分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級，進(jìn)一步影響分子的能量狀態(tài)和熱力學(xué)性質(zhì)。二氧化碳分子的情況則有所不同。二氧化碳分子具有較高的摩爾質(zhì)量和復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)，它在與其他氣體分子碰撞時(shí)，會(huì)對分子間的相互作用力產(chǎn)生較大影響。二氧化碳分子的存在會(huì)改變氣體分子間的平均自由程，使得分子碰撞的概率和方式發(fā)生變化。在高溫高壓的高超聲速流場中，二氧化碳分子與其他分子的碰撞可能會(huì)導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，如二氧化碳的解離反應(yīng)CO_2\rightleftharpoonsCO+O。這種化學(xué)反應(yīng)會(huì)消耗能量，從而影響流場的溫度和壓力分布。對于氧氣和氮?dú)?，雖然它們是空氣的主要成分，但在高超聲速試驗(yàn)中，其含量的變化也會(huì)通過分子碰撞對熱力學(xué)參數(shù)產(chǎn)生影響。當(dāng)氧氣含量增加時(shí)，氧氣分子與燃料分子的碰撞機(jī)會(huì)增多，會(huì)加速燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，釋放更多的熱量，導(dǎo)致溫度升高。而氮?dú)庥捎诨瘜W(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定，在分子碰撞中主要起到能量傳遞的作用，其含量的變化對熱力學(xué)參數(shù)的影響相對較小，但在高含量情況下，仍會(huì)通過改變分子間的碰撞頻率和能量分布，對溫度、壓力和密度等參數(shù)產(chǎn)生一定的影響。5.3.2化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)角度的探討從化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的角度來看，污染組分參與的化學(xué)反應(yīng)對高超聲速試驗(yàn)熱力學(xué)參數(shù)的影響十分顯著。在高超聲速試驗(yàn)中，流場通常處于高溫高壓的極端條件下，這為化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生提供了有利的環(huán)境。污染組分如氧氣、水蒸氣、二氧化碳等，在這樣的條件下可能會(huì)與其他氣體分子發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，從而改變流場的化學(xué)組成和熱力學(xué)狀態(tài)。氧氣在高超聲速燃燒過程中起著至關(guān)重要的作用。它作為氧化劑，與燃料分子發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)，釋放出大量的熱能。在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃料（如氫氣、碳?xì)淙剂系龋┡c氧氣混合后，在高溫高壓的環(huán)境下迅速發(fā)生燃燒反應(yīng)。以氫氣燃燒為例，其化學(xué)反應(yīng)方程式為2H_2+O_2\stackrel{??1???}{=\!=\!=}2H_2O。這個(gè)反應(yīng)是一個(gè)強(qiáng)放熱反應(yīng)，會(huì)使流場中的溫度急劇升高，壓力也相應(yīng)增大。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，燃料和氧氣的濃度逐漸降低，而燃燒產(chǎn)物（如水蒸氣）的濃度增加，這會(huì)進(jìn)一步改變流場的化學(xué)平衡和熱力學(xué)參數(shù)。水蒸氣在高溫下可能會(huì)發(fā)生解離和復(fù)合反應(yīng)，這些反應(yīng)會(huì)吸收或釋放熱量，對溫度和壓力產(chǎn)生影響。在高超聲速流場中，當(dāng)溫度足夠高時(shí)，水蒸氣分子會(huì)發(fā)生解離反應(yīng)H_2O\rightleftharpoonsH_2+\frac{1}{2}O_2，這個(gè)反應(yīng)是一個(gè)吸熱反應(yīng)，會(huì)消耗流場中的內(nèi)能，導(dǎo)致溫度降低。而在溫度降低或其他條件變化時(shí)，解離后的氫氣和氧氣又可能會(huì)發(fā)生復(fù)合反應(yīng)，重新生成水蒸氣，并釋放出熱量，使溫度升高。水蒸氣還可能參與其他化學(xué)反應(yīng)，如與碳?xì)淙剂习l(fā)生重整反應(yīng)，生成一氧化碳和氫氣等，這些反應(yīng)都會(huì)對流場的化學(xué)組成和熱力學(xué)參數(shù)產(chǎn)生影響。二氧化碳在高溫下也可能參與化學(xué)反應(yīng)，如與氫氣發(fā)生反應(yīng)生成一氧化碳和水CO_2+H_2\rightleftharpoonsCO+H_2O，這個(gè)反應(yīng)是一個(gè)可逆反應(yīng)，其反應(yīng)方向和速率受到溫度、壓力和反應(yīng)物濃度等因素的影響。在高超聲速試驗(yàn)中，這些因素的變化會(huì)導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)的平衡移動(dòng)，從而改變流場的化學(xué)組成和熱力學(xué)參數(shù)。二氧化碳還可能在高溫下發(fā)生分解反應(yīng)，生成一氧化碳和氧氣，但這個(gè)反應(yīng)需要較高的溫度和能量，在一般的高超聲速試驗(yàn)條件下，其反應(yīng)程度相對較小。污染組分參與的化學(xué)反應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，涉及多個(gè)反應(yīng)步驟和中間產(chǎn)物。這些化學(xué)反應(yīng)不僅會(huì)改變流場的化學(xué)組成，還會(huì)通過吸收或釋放熱量，對溫度、壓力和密度等熱力學(xué)參數(shù)產(chǎn)生直接或間接的影響。在高超聲速試驗(yàn)和飛行器設(shè)計(jì)中，充分考慮污染組分參與的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程，對于準(zhǔn)確預(yù)測和控制熱力學(xué)參數(shù)的變化，提高飛行器的性能和可靠性具有重要意義。六、案例分析：實(shí)際高超聲速試驗(yàn)中的污染組分影響實(shí)例6.1某型號高超聲速飛行器風(fēng)洞試驗(yàn)案例6.1.1試驗(yàn)概況與背景介紹某型號高超聲速飛行器風(fēng)洞試驗(yàn)旨在全面評估該飛行器在高超聲速飛行條件下的氣動(dòng)性能、熱防護(hù)性能以及推進(jìn)系統(tǒng)性能，為飛行器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供關(guān)鍵依據(jù)。試驗(yàn)在國內(nèi)某先進(jìn)的高超聲速風(fēng)洞設(shè)施中進(jìn)行，該風(fēng)洞具備模擬馬赫數(shù)5-10的高超聲速氣流能力，能夠提供穩(wěn)定的來流條件和高精度的測量環(huán)境。風(fēng)洞的主要組成部分包括驅(qū)動(dòng)段、穩(wěn)定段、噴管、試驗(yàn)段和擴(kuò)壓段。驅(qū)動(dòng)段采用高壓空氣驅(qū)動(dòng)方式，通過快速釋放高壓氣體產(chǎn)生激波，從而在穩(wěn)定段形成高溫高壓的試驗(yàn)氣體。噴管設(shè)計(jì)為軸對稱拉瓦爾噴管，能夠?qū)⒃囼?yàn)氣體加速到高超聲速狀態(tài)，以滿足試驗(yàn)對來流馬赫數(shù)的要求。試驗(yàn)段配備了先進(jìn)的測量設(shè)備，包括壓力傳感器、溫度傳感器、熱流計(jì)以及基于TDLAS技術(shù)的光譜診斷系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)測量飛行器模型表面的壓力、溫度、熱流以及流場中的氣體組分和熱力學(xué)參數(shù)。試驗(yàn)中，采用了縮比為1:10的飛行器模型，該模型按照實(shí)際飛行器的外形和結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確制造，確保了模型在氣動(dòng)外形和熱防護(hù)結(jié)構(gòu)上與實(shí)際飛行器的相似性。試驗(yàn)工況設(shè)置為來流馬赫數(shù)7，總壓3MPa，總溫1200K，模擬飛行器在高空高超聲速飛行時(shí)的典型工況。在試驗(yàn)過程中，通過調(diào)節(jié)風(fēng)洞的驅(qū)動(dòng)壓力和噴管喉部面積，實(shí)現(xiàn)對來流條件的精確控制。6.1.2污染組分對試驗(yàn)結(jié)果的具體影響在試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)污染組分對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生了顯著的影響。首先，污染組分導(dǎo)致飛行器表面溫度出現(xiàn)異常分布。在試驗(yàn)初期，使用純凈的氮?dú)庾鳛樵囼?yàn)氣體時(shí)，飛行器表面溫度分布較為均勻，符合理論預(yù)期。然而，當(dāng)試驗(yàn)氣體中混入一定量的水蒸氣后，飛行器頭部和前緣部分的溫度明顯升高。通過熱流計(jì)測量發(fā)現(xiàn)，在水蒸氣含量為5%時(shí)，飛行器頭部駐點(diǎn)的熱流密度增加了約20%，導(dǎo)致該區(qū)域的溫度升高了約100K。這是因?yàn)樗魵饩哂休^高的比熱容和潛熱，在高溫下發(fā)生相變和化學(xué)反應(yīng)，吸收了大量的熱量，從而使飛行器表面的溫度分布發(fā)生改變。污染組分還導(dǎo)致飛行器表面壓力分布不均。在純凈氣體試驗(yàn)條件下，飛行器表面的壓力分布呈現(xiàn)出較為規(guī)則的變化趨勢，與理論計(jì)算結(jié)果相符。但當(dāng)試驗(yàn)氣體中存在二氧化碳時(shí)，壓力分布出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)。在飛行器的機(jī)翼和尾翼部分，壓力系數(shù)出現(xiàn)了較大的偏差，最大偏差達(dá)到了0.1。這是由于二氧化碳的存在改變了氣體的密度和粘性，使得流場中的激波結(jié)構(gòu)和邊界層特性發(fā)生變化，進(jìn)而影響了飛行器表面的壓力分布。污染組分對飛行器的推進(jìn)系統(tǒng)性能也產(chǎn)生了一定的影響。在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)試驗(yàn)氣體中含有氧氣和氮?dú)鈺r(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率和推力出現(xiàn)了下降。在氧氣含量為10%，氮?dú)夂繛?0%的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率降低了約5%，推力下降了約8%。這是因?yàn)檠鯕夂偷獨(dú)獾拇嬖诟淖兞巳剂吓c氧化劑的混合比例，影響了燃燒反應(yīng)的速率和完全程度，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降。6.1.3基于TDLAS技術(shù)的數(shù)據(jù)分析與問題解決針對污染組分對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響，利用基于TDLAS技術(shù)的光譜診斷系統(tǒng)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入分析。通過TDLAS技術(shù)，精確測量了試驗(yàn)氣體中污染組分的濃度、溫度、壓力以及流速等參數(shù)，為問題的分析提供了詳細(xì)的數(shù)據(jù)支持。通過對TDLAS測量數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)污染組分的濃度與飛行器表面溫度和壓力的異常變化之間存在著密切的關(guān)聯(lián)。隨著水蒸氣濃度的增加，飛行器表面的溫度升高幅度逐漸增大；二氧化碳濃度的增加則導(dǎo)致壓力分布的不均勻性更加明顯。利用這些數(shù)據(jù)，建立了污染組分濃度與熱力學(xué)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型，通過模型預(yù)測了不同污染組分含量下飛行器的性能變化。為了解決污染組分對試驗(yàn)結(jié)果的影響，采取了一系列措施。對試驗(yàn)氣體進(jìn)行了嚴(yán)格的凈化處理，采用高精度的氣體過濾和分離設(shè)備，去除試驗(yàn)氣體中的雜質(zhì)和污染組分，提高試驗(yàn)氣體的純度。通過優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)，減少設(shè)備本身引入的污染。改進(jìn)風(fēng)洞的密封結(jié)構(gòu)，防止環(huán)境空氣的混入；優(yōu)化燃料的燃燒過程，減少不完全燃燒產(chǎn)物的產(chǎn)生。根據(jù)TDLAS測量數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型的預(yù)測結(jié)果，對飛行器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。在熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，針對污染組分導(dǎo)致的溫度升高問題，增加了飛行器頭部和前緣部分的熱防護(hù)材料厚度，提高了熱防護(hù)系統(tǒng)的性能。在氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)方面，根據(jù)壓力分布不均的情況，對機(jī)翼和尾翼的形狀進(jìn)行了微調(diào)，優(yōu)化了飛行器的氣動(dòng)力性能。通過采取這些措施，有效降低了污染組分對試驗(yàn)結(jié)果的影響，提高了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性。經(jīng)過改進(jìn)后的試驗(yàn)，飛行器表面溫度和壓力分布更加均勻，推進(jìn)系統(tǒng)性能也得到了明顯提升，為該型號高超聲速飛行器的進(jìn)一步研發(fā)和應(yīng)用提供了有力的支持。6.2國際上典型高超聲速試驗(yàn)污染問題案例研究6.2.1國外某高超聲速試驗(yàn)項(xiàng)目情況國外某高超聲速試驗(yàn)項(xiàng)目旨在研制一款新型的高超聲速飛行器，該飛行器計(jì)劃用于未來的高速航空運(yùn)輸和軍事應(yīng)用。為了全面評估飛行器在高超聲速飛行條件下的性能，研究團(tuán)隊(duì)在多個(gè)高超聲速風(fēng)洞設(shè)施中開展了一系列的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)選用的高超聲速風(fēng)洞具有先進(jìn)的性能和完善的測量系統(tǒng)。風(fēng)洞的驅(qū)動(dòng)段采用了高壓空氣和燃燒加熱相結(jié)合的驅(qū)動(dòng)方式，能夠產(chǎn)生馬赫數(shù)6-8的高超聲速氣流，總壓范圍可達(dá)5MPa-10MPa，總溫范圍為1000K-2000K，為模擬高超聲速飛行環(huán)境提供了強(qiáng)大的能力。在試驗(yàn)過程中，研究團(tuán)隊(duì)對飛行器的氣動(dòng)力、氣動(dòng)熱、推進(jìn)系統(tǒng)性能以及流場特性等多個(gè)方面進(jìn)行了深入研究。通過在風(fēng)洞試驗(yàn)段安裝高精度的壓力傳感器和溫度傳感器，實(shí)時(shí)測量飛行器模型表面的壓力分布和溫度變化。利用粒子圖像測速技術(shù)（PIV）和紋影技術(shù)，對流場的速度分布和激波結(jié)構(gòu)進(jìn)行了可視化研究，以獲取流場的詳細(xì)信息。試驗(yàn)中使用的飛行器模型按照實(shí)際飛行器的1:8比例進(jìn)行制作，采用了先進(jìn)的復(fù)合材料和制造工藝，確保了模型在高超聲速氣流中的結(jié)構(gòu)完整性和氣動(dòng)外形的準(zhǔn)確性。模型表面布置了大量的測量點(diǎn)，用于安裝壓力傳感器和溫度傳感器，以獲取飛行器表面的氣動(dòng)和熱環(huán)境數(shù)據(jù)。6.2.2污染組分引發(fā)的技術(shù)難題與應(yīng)對策略在該試驗(yàn)項(xiàng)目中，污染組分引發(fā)了一系列技術(shù)難題，對試驗(yàn)結(jié)果和飛行器性能產(chǎn)生了顯著影響。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒穩(wěn)定性受到了污染組分的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。由于試驗(yàn)氣體中存在水蒸氣和二氧化碳等污染組分，這些組分改變了燃燒室內(nèi)的化學(xué)平衡和熱物理性質(zhì)，導(dǎo)致燃燒過程變得不穩(wěn)定，出現(xiàn)了燃燒振蕩和熄火等問題。在燃燒室內(nèi)，水蒸氣和二氧化碳的存在會(huì)影響燃料與氧化劑的混合比例和反應(yīng)速率，使得燃燒過程難以維持穩(wěn)定。當(dāng)水蒸氣含量達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)降低燃燒室內(nèi)的溫度，抑制燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，從而導(dǎo)致燃燒振蕩加劇，甚至引發(fā)熄火。污染組分還對飛行器的熱防護(hù)系統(tǒng)性能產(chǎn)生了負(fù)面影響。高超聲速飛行時(shí)，飛行器表面會(huì)承受極高的溫度，熱防護(hù)系統(tǒng)是保障飛行器安全的關(guān)鍵。然而，污染組分中的水蒸氣在高溫下會(huì)發(fā)生相變和化學(xué)反應(yīng)，吸收大量的熱量，導(dǎo)致熱防護(hù)系統(tǒng)的熱負(fù)荷增加。二氧化碳的存在會(huì)改變氣體的導(dǎo)熱系數(shù)和輻射特性，使得熱防護(hù)系統(tǒng)的隔熱效果下降，進(jìn)一步加劇了飛行器表面的熱應(yīng)力，對熱防護(hù)系統(tǒng)的可靠性構(gòu)成了威脅。為了解決這些技術(shù)難題，研究團(tuán)隊(duì)采取了一系列應(yīng)對策略。針對超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒穩(wěn)定性問題，通過優(yōu)化燃燒室的設(shè)計(jì)和燃料噴射策略，改善燃料與氧化劑的混合效果，提高燃燒效率和穩(wěn)定性。采用先進(jìn)的燃燒控制技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測燃燒室內(nèi)的溫度、壓力和組分濃度等參數(shù)，根據(jù)反饋信號及時(shí)調(diào)整燃料噴射量和噴射角度，以抑制燃燒振蕩的發(fā)生。研究團(tuán)隊(duì)還對燃料進(jìn)行了改進(jìn)，添加了一些添加劑，以增強(qiáng)燃料的抗干擾能力，提高燃燒的穩(wěn)定性。對于飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)性能下降的問題，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了新型的熱防護(hù)材料和結(jié)構(gòu)。采用了多層隔熱結(jié)構(gòu)和主動(dòng)冷卻技術(shù)，通過在熱防護(hù)系統(tǒng)中設(shè)置多個(gè)隔熱層，減少熱量向飛行器內(nèi)部的傳遞；利用主動(dòng)冷卻技術(shù)，如氣冷、水冷等，帶走熱防護(hù)系統(tǒng)表面的熱量，降低其溫度。研究團(tuán)隊(duì)還對熱防護(hù)系統(tǒng)的表面涂層進(jìn)行了優(yōu)化，采用了具有高輻射率和低導(dǎo)熱系數(shù)的涂層材料，提高熱防護(hù)系統(tǒng)的隔熱性能和抗污染能力。6.2.3經(jīng)驗(yàn)借鑒與啟示國外該高超聲速試驗(yàn)項(xiàng)目中污染組分問題的研究和解決過程，為我國高超聲速試驗(yàn)研究提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)借鑒和啟示。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)充分考慮污染組分的影響，采取有效的措施減少污染的產(chǎn)生。加強(qiáng)對試驗(yàn)氣體的凈化處理，提高氣體的純度，減少水蒸氣、二氧化碳等污染組分的含量。優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)，降低設(shè)備本身引入污染的可能性。改進(jìn)風(fēng)洞的密封結(jié)構(gòu)，防止環(huán)境空氣的混入；優(yōu)化燃料的燃燒過程，提高燃燒效率，減少不完全燃燒產(chǎn)物的產(chǎn)生。在試驗(yàn)過程中，應(yīng)加強(qiáng)對污染組分的監(jiān)測和分析。采用先進(jìn)的測量技術(shù)，如TDLAS技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測試驗(yàn)氣體中污染組分的濃度、溫度、壓力等參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)污染問題并采取相應(yīng)的措施。建立完善的污染組分?jǐn)?shù)據(jù)庫，對不同試驗(yàn)條件下的污染數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和整理，為后續(xù)的研究和分析提供基礎(chǔ)。針對污染組分引發(fā)的技術(shù)難題，應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新。加大對超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性和熱防護(hù)系統(tǒng)性能的研究力度，開發(fā)新型的燃燒控制技術(shù)和熱防護(hù)材料，提高飛行器在污染環(huán)境下的性能和可靠性。加強(qiáng)多學(xué)科交叉研究，綜合運(yùn)用航空航天、材料科學(xué)、化學(xué)工程等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，解決高超聲速試驗(yàn)中的污染問題。國際合作與交流也是解決高超聲速試驗(yàn)污染問題的重要途徑。積極參與國際高超聲速研究項(xiàng)目，與其他國家的科研團(tuán)隊(duì)分享經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，共同攻克污染問題。加強(qiáng)對國際先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)和消化吸收，結(jié)合我國的實(shí)際情況進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)，提升我國高超聲速試驗(yàn)研究的水平。七、污染組分影響下的高超聲速試驗(yàn)熱力學(xué)參數(shù)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建7.1模型假設(shè)與基本理論依據(jù)為了構(gòu)建能夠準(zhǔn)確描述污染組分影響下高超聲速試驗(yàn)熱力學(xué)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，首先需要明確一系列合理的假設(shè)條件。假設(shè)試驗(yàn)流場中的氣體遵循理想氣體狀態(tài)方程，即PV=nRT。在高超聲速試驗(yàn)中，雖然實(shí)際氣體的行為與理想氣體存在一定偏差，但在許多情況下，尤其是在高溫低壓的條件下，理想氣體假設(shè)能夠提供較為準(zhǔn)確的近似。當(dāng)試驗(yàn)流場中的壓力相對較低，溫度較高時(shí)，氣體分子間的距離較大，分子間的相互作用力較弱，此時(shí)理想氣體狀態(tài)方程能夠較好地描述氣體的狀態(tài)變化。通過對大量高超聲速試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，在某些工況下，基于理想氣體假設(shè)計(jì)算得到的熱力學(xué)參數(shù)與實(shí)際測量值的偏差在可接受范圍內(nèi)，這進(jìn)一步驗(yàn)證了該假設(shè)的合理性。假設(shè)試驗(yàn)過程中，氣體的流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。這意味著在試驗(yàn)流場中的任意一點(diǎn)，氣體的速度、壓力、溫度、密度等參數(shù)不隨時(shí)間變化。在高超聲速試驗(yàn)中，盡管流場中的物理過程非常復(fù)雜，但在一定的時(shí)間尺度內(nèi)，當(dāng)試驗(yàn)條件穩(wěn)定后，穩(wěn)態(tài)流動(dòng)假設(shè)能夠簡化數(shù)學(xué)模型的建立和求解過程。在風(fēng)洞試驗(yàn)中，當(dāng)風(fēng)洞的運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定后，試驗(yàn)段內(nèi)的流場可以近似看作穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，此時(shí)基于穩(wěn)態(tài)流動(dòng)假設(shè)建立的數(shù)學(xué)模型能夠有效地描述流場的特性。忽略試驗(yàn)流場中的次要因素，如重力、粘性耗散、熱輻射等對熱力學(xué)參數(shù)的影響。在高超聲速試驗(yàn)中，這些因素在某些情況下可能會(huì)對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，但在構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的初始階段，為了突出污染組分對熱力學(xué)參數(shù)的主要影響，將這些次要因素進(jìn)行簡化處理。重力對高超聲速流場的影響相對較小，尤其是在高速氣流的主導(dǎo)作用下，重力的作用可以忽略不計(jì)；粘性耗散和熱輻射在一些情況下會(huì)導(dǎo)致能量的損失和溫度的變化，但在本模型中，假設(shè)這些因素的影響可以忽略，以便更清晰地研究污染組分與熱力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系。本數(shù)學(xué)模型構(gòu)建的理論依據(jù)主要基于熱力學(xué)基本定律和流體力學(xué)基本方程。熱力學(xué)第一定律，即能量守恒定律，在本模型中起著核心作用。它表明在一個(gè)封閉系統(tǒng)中，能量不會(huì)憑空產(chǎn)生或消失，只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。在高超聲速試驗(yàn)流場中，能量的轉(zhuǎn)化主要包括機(jī)械能、內(nèi)能和化學(xué)能之間的相互轉(zhuǎn)換。氣體的動(dòng)能和壓力能可以通過激波、邊界層等物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，導(dǎo)致氣體溫度升高；而污染組分參與的化學(xué)反應(yīng)會(huì)釋放或吸收化學(xué)能，進(jìn)一步影響流場的能量平衡。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，可以建立能量守恒方程，描述流場中能量的轉(zhuǎn)化和傳遞過程。熱力學(xué)第二定律，即熵增定律，也在模型中得到應(yīng)用。它表明在自然過程中，系統(tǒng)的熵總是趨向于增加，即系統(tǒng)總是朝著更加無序的方向發(fā)展。在高超聲速試驗(yàn)中，熵增定律可以用來判斷過程的方向性和不可逆性。當(dāng)污染組分參與化學(xué)反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)的方向和程度受到熵增定律的限制，通過考慮熵的變化，可以更全面地理解流場中的物理過程。流體力學(xué)基本方程，如連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程，也是本數(shù)學(xué)模型的重要理論依據(jù)。連續(xù)性方程描述了流場中質(zhì)量守恒的原理，即單位時(shí)間內(nèi)流入和流出控制體的質(zhì)量相等；動(dòng)量方程則體現(xiàn)了力與動(dòng)量變化之間的關(guān)系，用于描述流場中氣體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；能量方程結(jié)合了熱力學(xué)第一定律和流體力學(xué)的能量守恒原理，能夠準(zhǔn)確地描述流場中能量的變化和傳遞。通過聯(lián)立這些方程，并考慮污染組分的影響因素，可以建立起完整的數(shù)學(xué)模型，用于預(yù)測和分析高超聲速試驗(yàn)中熱力學(xué)參數(shù)的變化。7.2數(shù)學(xué)模型的建立過程7.2.1考慮污染組分的熱力學(xué)參數(shù)方程推導(dǎo)基于前文的假設(shè)和理論依據(jù)，從熱力學(xué)基本定律和流體力學(xué)基本方程出發(fā)，推導(dǎo)考慮污染組分的熱力學(xué)參數(shù)方程。首先，根據(jù)連續(xù)性方程，在穩(wěn)態(tài)流動(dòng)條件下，單位時(shí)間內(nèi)流入和流出控制體的質(zhì)量相等。對于包含多種污染組分的混合氣體，其連續(xù)性方程可表示為：\frac{\partial(\rhou)}{\partialx}+\frac{\partial(\rhov)}{\partialy}+\frac{\partial(\rhow)}{\partialz}=0其中，\rho為混合氣體的密度，u、v、w分別為氣體在x、y、z方向上的速度分量。動(dòng)量方程體現(xiàn)了力與動(dòng)量變化之間的關(guān)系。在笛卡爾坐標(biāo)系下，x方向的動(dòng)量方程為：\rho\left(u\frac{\partialu}{\partialx}+v\frac{\partialu}{\partialy}+w\frac{\partialu}{\partialz}\right)=-\frac{\partialP}{\partialx}+\frac{\partial\tau_{xx}}{\partialx}+\frac{\partial\tau_{xy}}{\partialy}+\frac{\partial\tau_{xz}}{\partialz}y方向和z方向的動(dòng)量方程與之類似，分別為：\rho\left(u\frac{\partialv}{\partialx}+v\frac{\partialv}{\partialy}+w\fr