[科普中国]-激波角

定义

在物理学中，激波也加冲击波，是一种传播扰动。当波的移动速度超过流体中本地的声速时，它就是一种激波。像普通的波一样，激波携带能量，可以通过介质传播；然而，其特征在于介质的压力，温度和密度的突然变化，几乎不连续的变化。在超音速流动中，可以通过扩展风扇（也称为Prandtl-Meyer扩展风扇）来实现扩展。

与孤子（另一种非线性波）不同，冲击波的能量随距离相对快速地消散。此外，伴随的扩张波接近并最终与冲击波并入，能量会部分消失。因此，与超音速飞机通过相关的声波是由冲击波和飞机产生的膨胀波的退化和合并而产生的声波。

当冲击波通过物质时，能量被保留，但熵增加。物质属性的这种变化表现为能够作为工作提取的能量的减少，并且作为超音速物体的阻力；冲击波是强不可逆的过程。

激波的传播激波的传播特性既取决于激波的产生条件，也与所处的传播环境密切相关。 驱动条件、几何边界、介质的物理化学属性等发生变化时，都会引起激波传播特性的改变 ， 而激波的变化反过来又会对其波及的流场产生影响 . 尽管激波传播及其干扰现象广泛存在于自然界和人类科技活动之中，其复杂机理的认识、规律的描述乃至应用潜力的挖掘仍有漫长的路要走 。2

一维波系相互作用激波的强间断性带来复杂性，但也给问题的简化带来便利。因为这一特点使得在法向穿过波面的尺度相对于其他方向可以忽略，且两侧的参数变化成为主要矛盾，从而为建立激波前后参数（ 如压力 p 、密度 ρ 、速度 u 、焓 h 等 ） 的简化描述关系提供了可能。其中较为典型的代表应属兰金 — 雨贡纽关系。

二维波系相互作用当激波传播过程中的传播条件发生改变，包括壁面条件、传播介质的属性以及流场参数等出现变化时，激波都难免会与之产生相互作用。其中激波受壁面 “ 压缩 ” 作用产生的反射，穿越声抗变化介质出现的折射以及与其他波系相遇产生的相交等现象作为典型的干扰形式而受到关注和较为系统的研究。尽管自然界和工程实际中的激波干扰一般均具有三维性，但鉴于激波面极薄以及在垂直于波面法向的参数变化和作用剧烈的特征，前人为突出重点和分解难点，巧妙地寻求出基于激波法向剖面内进行二维简化的分析方法，从而为这类相互作用的简明理论描述和分析提供了一条简洁的途径。3

航空航天中的激波角当飞行器飞行速度和马赫数进一步提高，流场特性相对于较低马赫数的超声速流动又会存在较为明显的差异。钱学森先生在1945年出版的《高超声速相似律》一书中首次以“hypersonic”即高超声速一词来描述马赫数大于5的流动。Anderson(1 989)在其著作《Hypersonic and High Temperature Gas Dynamics》中对高超声速流动进行了归纳和总结，认为相对于一般的超声速流动，高超声速流动具有以下显著的特征：

薄激波层激波层，一般是指激波与诱发激波的物体表面之间的流场。在超声速流动中，流动方向受到壁面压缩而发生偏转时，会有斜激波产生。气体通过斜激波压缩后，气体的压力、密度、温度升高，速度及马赫数降低。根据斜激波理论可以知道，当壁面角度一定，即气流偏转角一定时，激波波后气体密度随来流马赫数的增加而增加，并最终达到一极限值。考虑来流具有相同的质量流量情况下，波后气体密度越高，则所需的面积越小。因此在高超声速流动中，激波与物体表面的距离很小，激波紧贴壁面。因此称为薄激波层。

熵层由高超声速层流边界层方程的自相似解可以得到，在物体头部驻点位置，对流传热值与头部曲率半径的平方根成反比。因此，在高超声速飞行器设计工作中，通常对飞行器头部、进气道唇口、控制面前缘等前缘进行钝化处理，以减轻前缘位置的热负荷。高超声速条件下，绕钝体的弓形激波高度弯曲。气流经过激波后产生熵增，头部区域不同位置的激波角不同，故头部区域不同位置的流线通过激波后的熵增也不同，形成极强的熵梯度。这部分具有强熵梯度的气体覆盖在物体表面，即形成了熵层。熵层具有强烈的旋度，并覆盖在物体表面至头部下游一定距离，物体表面的边界层会在熵层内发展，受到熵层的影响。熵层的存在会使边界层的外缘条件难以确定，因而使与边界层相关的计算更加困难。4

粘性干扰效应高超声速条件下，高速运动的气流具有极高的动能。在边界层内，由于粘性效应，气体速度逐渐降低，动能转化为内能，这一过程称为粘性耗散。受粘性耗散的影响，边界层内气体温度升高。温度升高会导致气体粘性系数的增大及密度的降低。这两方面的影响会导致高超声速边界层厚度明显增加。厚度显著增加的边界层会对外部无粘流产生影响，而无粘流的流动状态的改变又会影响边界层的增长与发展。边界层与外部无粘流的相互作用即称为粘性干扰。粘性干扰对物体表面的压力分布有重要影响，同时会使摩擦阻力及壁面热负荷增大。在马赫数及边界层厚度增加到一定程度，物体表面的边界层会与激波层相融合，这时整个激波层内的流动都需要按粘性流动进行处理。5