化学反应边界层

当边界层内温度很高时，在流体中各成分之间以及流体与它所流经界面的材料(包括由界面材料引射出来的物质)之间会发生化学反应，这种有化学反应的边界层，称为化学反应边界层。它是高温气体动力学中的一个重要研究课题。它对于解决高速飞行器的热防护问题和一般工业中的有关问题都有重要意义。以钝头物体的高超声速绕流为例，在有化学反应的边界层流动中，由扩散(包括组元成分的浓度扩散、压力扩散、热扩散)传递的热量不可忽略，甚至比热传导的热量更大。在钝体高超声速绕流的问题中(如在洲际导弹再入飞行条件下)，考虑有化学反应的层流驻点热流可达到比不考虑反应时大两倍以上。另外，由于热流量的改变以及在壁面上可能出现的多相反应(即气－固或液－固，或三者之间的反应)，将对壁面烧蚀率有显著影响。在高温条件下出现电离反应时，还会在高超声速飞行器周围形成炽热的等离子体鞘(见激波层)，此时研究其电磁特性有重要意义。此外，在各种高温气体流动设备的设计中，也须计算有化学反应的高温气体边界层的各种参量。在一般化学工业和冶金工业中，也要用化学反应边界层的知识。

在化学反应过程中，常伴有强烈的放热、吸热效应和流体和成分的质量、能量的扩散和迁移，而且流体的热力学性质(如比热)和输运性质(如粘性)也会发生变化。因此，化学反应边界层的流动规律除应满足动量、能量和总质量守恒原理外，还应满足流体各成分的质量守恒原理。当有电离反应时还应满足流体中的电荷守恒原理。在有化学反应的流动中，流体各成分浓度的变化率和化学反应速率有密切关系。当边界层流动特征速度远小于化学反应速率时，可作为平衡流边界层的近似，此时流体各成分的浓度只取决于当地物理状态(如温度、压力)，而与化学反应过程无关。当边界层流动特征速度远大于化学反应速率时，可作为冻结流边界层的近似，此时流体成分可视为不变的。介于上述两种情况之间为非平衡流动边界层，此时应计及化学反应过程。对于这类问题，除使用流体动力学方程外，还要用到相应的化学动力学关系式，如各成分的化学反应生成率表达式和各种化学反应速率常数等。

参考书目 W.H.多兰斯著，张仲寅译：《高超音速粘流》，国防工业出版社，北京，1966。( W.H.Dorrence， Viscous Hypersonic Flow，McGraw-Hill，New York，1962.) 维塞特、小克鲁格著，《物理气体动力学引论》翻译组译： 《物理气体动力学引论 》，科学出版 社，北京，1978。(W. G. Vincenti and G.H.Kruger，Jr.， Intro-duction to Physical Gas Dynamics，John Wiley &Sons，New York，1965)