激波

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震波属于紊流的一种传播形式。如同其他通常形式下的波动,激波也可以通过介质传输能量。在某些不存在物理介质的特殊情况下,激波可以通过,如电磁场来传输能量。激波的主要特点表现为介质特性(如压力、温度、或速度)在激波前后发生了一个像正的阶梯函数般的突然变化。与此相应的负的阶跃则为膨胀波。声学激波其速度一般高于通常波速(在空气中即音速)。

不像孤波(另一种形式的非线性波),激波随距离的增加耗散很快。而且,膨胀波总是伴随着激波,并最终与激波合并。这部分抵消了激波的影响。声爆,一种超音速飞机通过时产生的声学现象,即是由激波——膨胀波对的耗散和湮灭所产生的。

超音速流动中的激波[编辑]

激波是气体超音速流动时产生的压缩现象之一。其他两种形式是等熵流动和普朗特——麦耶流动。对于给定的压强比,不同的压缩方式将产生不同的温度和密度,其结果对于不发生化学反应的气体是可以解析计算的。激波会导致总压的损失。这意味着在某些情形下(例如超音速冲压喷射装置的进气口),激波是无效率的。超音速飞机的压阻就主要是由于激波导致的。

当物体(或扰动)的运动比其周围的流体传播扰动信息的速度还要快时,靠近扰动的流体在扰动到来之前就不能及时作出反应或者“让路”。在激波中,流体的各种性质(密度温度压力速度马赫数)总是瞬时变化的。激波的厚度在数量级上同该气体的分子自由程相当。当气体运动速度大于其声速时,激波就形成了。在流动的某些区域,气体的扰动不能再向上游传播,压力快速积聚起来,高压激波就迅速形成了。

然而,激波不同于通常的声波。在大约为几个分子自由程的厚度(大气中大概为几微米)内,在激波前后气体的性质会发生剧烈变化。在空气中,激波发出很大的爆裂声或者噼啪的噪音。随着距离增加,激波逐渐从非线性波变为线性波,退化成通常的声波。这是由于激波中的空气逐渐丧失能量所致。这种声波跟通常的雷声,即“音爆”听起来很像,一般是由超音速飞机制造的。

非线性峭化产生的激波[编辑]

激波也可由普通波锐化而形成。最著名的例子就是深海微波逼近陆地时形成的海啸了。由于海啸的波长很长,长达数公里,即使在大洋中传播,依然可以认为是在浅水区。此时表面波的速度依赖于水深。接近岸时,水深骤减,导致波速大幅度下降,于是形成一面巨大的水墙,然后轰然倒塌,形成海啸,以声音和热的的方式将其中的能量释放出来。

同样的现象出现在气体和等离子中的强声波,这是由于音速依赖于温度压力。这种现象在地球大气层很难见到,但存在于太阳的色球日冕中。

激波的模拟[编辑]

激波也可以描述为能够“感知”下游物体运动的上游最远点。在这种描述中,激波的位置定义为扰动可感区和扰动盲区的边界。这可以和广义相对论中的光锥相类比。

要得到激波,必须得有快于声速的运动。由于放大效应,激波是非常强烈的。

类比现象已超出流体力学的范畴。例如,当介质中的物体运动速度大于该介质中光速时(此时其速度仍小于真空中光速),折射就会产生可见的激波现象,即切连科夫辐射

激波的类型[编辑]

激波有如下几种类型:

  1. 在定常流中传播的激波
    • 这种激波通常产生于具有压差的气体界面。此时,激波传入低压气体,膨胀波传入高压气体。
    • 例子:气球爆炸,激波管,爆炸激波等。
    • 在这种情况下,激波前气体一般是静止的,而激波后的气体则以超音速运动。激波通常属于紊流。激波的速度取决于两种气体的压力比。
  2. 管道流动中的激波
    • 当管道中的超音速流减速时产生这种激波。
    • 例子:超音速喷气引擎,超音速冲压喷射装置,针形阀等。
    • 此种情形下,波前气体为超音速,而波后气体或者是超音速(斜激波)或者是亚音速(正激波)。该种激波或者产生于气体在收敛的管道中减速时,或者由于平直管道中附面层的增长而致。
  3. 跨音速物体产生的再压缩激波
    • 当跨音速流动减速为亚音速时产生这种激波。
    • 例子: 跨音速机翼,管道。
    • 原理省略。
  4. 超音速物体的附体激波
    • 这种激波以“附着”的形式出现在超音速运动的尖锐物体的顶端。
    • 例子:超音速运动的楔形物体或锥形物体
    • 原理略。
  5. 超音速物体的脱体激波
    • 当超音速运动的物体顶端很钝时出现这种激波。
    • 例子:太空返回舱(阿波罗飞船,航天飞机),子弹,磁气圈附面层
    • 原理略
  6. 爆炸波

参看[编辑]

外部链接[编辑]

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