В области, где параметры потока претерпевают быстрое изменение, например за ударной волной или в расширяющейся части сверхзвукового сопла, состояние газа может не соответствовать равновесному. Это связано с тем, что для установления равновесия смеси как по составу, так и по распределению энергии между различными степенями свободы молекул нужно конечное время. Такой процесс будет называться термодинамически неравновесным. Характерное время установления термохимического равновесия — так называемое время релаксации — разное для различных процессов. Так, для достижения равновесного значения энергии поступательного движения молекул достаточно в среднем пяти столкновений частиц воздуха, вращательного — от 10 до 100 столкновений, а для достижения равновесного распределения энергии колебательных движений атомов внутри молекул — порядка 105 столкновений. Хотя воздух при стандартных значениях температуры и давления имеет молекулярную плотность в 1019 молекул в см3, средняя длина свободного пробега намного превосходит расстояние между соседними молекулами, в итоге зона релаксации, равная произведению скорости течения газа на время релаксации, может оказаться достаточно протяженной. Проблема конвективного теплообмена и тепловой защиты связана, как правило, с натеканием на тело потока газа высокой плотности. Поэтому при анализе этих задач пользуются уравнениями сплошной среды. Из всех проявлений неравновесности выделяют прежде всего химическую неравновесность, связанную с конечным временем установления состава газовой смеси.
Химический состав газового потока за ударной волной или в пограничном слое определяется соотношением скоростей гидродинамической или диффузионного и химического процессов. В том случае, когда скорость химических реакций в потоке мала по сравнению со скоростью гидродинамического или диффузионного переноса, течение считается за мороженным, т. е. состав газа принимается постоянным. Это, однако, ж исключает возможности протекания химических реакций на поверхности тела. Наконец, уравнение сохранения долей химических элементов указывает, что при любых химических реакциях данный элемент (например, кислород, азот, кремний, углерод и т. д.) не может не возникать, ни исчезать, т. е. массовая доля химического элемента. Рассмотрим энергетическую сторону проблемы. В силу того, что при высоких температурах состав воздуха существенно меняется, при расчете теплообмена на поверхности тела приходится учитывать диффузию компонент по нормали к ней и перенос химической энергии, обусловленный рекомбинацией. Если имеется некоторый элементарный объем газа, находящегося в адиабатических условиях, то изменение его энтальпии должно соответствовать изменению кинетической энергии потока.
11 июля 2012
