[科普中国]-正冲波

简介

超声速气流绕物体流动时，在流场中往往出现突跃的压缩波。气流通过这种压缩波时，压强、密度、温度都突跃地变高，速度则突跃地下降，气流受到突跃压缩。这种使气流参数发生突跃变化的压缩叫做激波（冲波）。

激波是超声速气流中经常出现的重要物理现象。例如，当超声速气流绕过较大的障碍物(如以超声速飞行的炮弹，火箭，飞机等)时，气流在障碍物前会受到急剧压缩，压强、密度和温度突然显著增加，气流中就会产生激波。缩放喷管在非设计工况运动时，在喷管中的超声速气流中也可能产生激波；原子弹、氢弹爆炸时产生的破坏力很大的高压强锋面是激波；煤粉在煤粉炉中爆燃时产生的高压强火焰锋面同样是激波。

气流通过激波的压缩过程，实际是一个在很短的距离内完成的过程，即激波的厚度非常小，理论计算和实测表明，在一般情况下，激波的厚度约为2.5×10-5cm，这个数量和气体分子的自由行程(约7×10-5mm)的数量级相近。气流要在这样小的距离内完成一个显著的压缩过程，激波内的物理过程必定十分激烈。在这个过程中，气体的黏性和导热性占有重要的地位，从而导致激波的内部结构非常复杂。但是由于激波厚度很小，从工程应用角度看，可以不考虑激波的内部结构，而将激波处理为一个无限薄的面，也就是说把激波看作是一个不连续的间断面。按照激波的形状及其与气流方向的关系，为正激波、斜激波和曲激波，如图1所示。

（1）正激波：波面与气流方向相垂直的平面激波j气流经过正激波被压缩后，只有速度大小的变化而流动方向不变，如图1(a)所示。

（2）斜激波：波面与气流方向小垂直的平面激波。气流经过斜激波被压缩后，不仅速度大小发生突跃变化，而且气流方向也发生改变，如图1(b)所示。

（3）曲激波：波面为曲面，如图1(c)所示。当超声波气流流过钝头物体时，在物体前面往往产生脱体激波。这种激波就是曲激波。脱体的曲激波的中间部分与来流方向垂直，是正激波；沿着波面向外延伸的是强度逐渐减小的斜激波。1

正激波的形成下面举一个简单的例子来说明正激波的形成过程。

设有一根很长的等截面直管，管中充满着静止的气体，在直管的左端有一个活塞，活塞向右作加速运动以压缩管内气体，在一小段时间内由静止状态加速到vg。然后作等速运动。为了分析方便起见，假设将活塞从静止状态加速到~~~，所需的时间分成许多相等的无穷小的时间间隔，并以每个时间间隔瞬时微小加速之和近似代替活塞从0→vg的加速过程，而且设在每两个微小加速之间活塞做等速运动。

当活塞做第1次瞬时加速(0→dv)时，使紧靠活塞右侧的气体a的压强增加微量dp，温度增加微量dT，这时在气体中产生一道压缩波向右传播。因为活塞的速度增量山很小，可以认为该压缩波是微弱压缩波，其传播速度是尚未被压缩的气体中的声速c1。微弱压缩波左面的气体受到一次微弱压缩，由于活塞以速度dv向右移动，因而这部分气体被活塞推着也以同样的速度dv向右移动。微弱压缩波右面的气体未受活塞加速的影响，经过dt时间间隔后，管内气体的压强分布如图2(a)所示，压强有变化处就是微弱压缩波所在位置。

若再使活塞作第2次加速，使其速度由dv增加到2dv，在管内气体中便产生第2道微弱压缩波。第2道压缩波是在经过第1道压缩波后的气体中以当地声速相对于气体传播的，经过第1道压缩波后，气体温度升高dT，声速增大到c2。另外，经过第1次压缩的气体还以速度dv向右运动，故第2道微弱压缩波相对于静止管壁的绝对传播速度应当为c2+dv，同时第2道压缩波经过的气体的压强和速度都进一步增加一个微量(dp→2dp、dv→2dv)。这时第1道微弱压缩波已传到气体b，使其压强增加dp，并以声速c1继续向右传播，经过2dt 时间间隔后，管内气体的压强分布如图2(b)所示。

依此类推，活塞做第3、第4、...瞬时微小加速(一直加速到vg为止)，活塞每加速一次，在管内气体中就多一道微弱压缩波，每道压缩波总是在经过前几次压缩的气体中以当地声速相对于气体向右传播。气体每经过一次压缩，当地声速就增大一次，即c3>c2>c1，c3+2dv>c2+dv>c1，即靠近活塞的微弱压缩波的传播速度比离活塞较远的微弱压缩波的传播速度快。于是随着时间的推移，波与波之间的距离逐渐减小，后面的微弱压缩波逐个追上前面的微弱压缩波，使微弱压缩波叠加，压强分布曲线变得越来越陡，最后压强梯度达到无穷大，压强分布曲线变为一条垂直线，这道压强跃升的波就是激波，如图2(c)所示。以后，只要活塞以不变的速度vg运动，则在管内就能维持一个强度不变的激波。

以上的讨沦说明，气体被压缩而产生的一系列微弱压缩波有叠加的趋势，当无数微弱的压缩波叠加在一起时，就形成了激波。这种质的飞跃，是激波的性质，和微弱压缩波有本质的差别。

如果令活塞向左加速运动，在管内将形成一系列向右传播的微弱膨胀波。由于活塞的运动使气体膨胀，温度降低，则先产生的波比后产生的波传播得快，波与波之间的距离拉大，后面的波永远赶不上前面的波，因此不能形成激波。1