[科普中国]-激波效应

简介

在大气中超声速飞行的物体的光学头罩与大气之间发生剧烈的相互作用，头罩周围的气体密度发生变化，由于流场的气体折射率脉动或高温使探测窗变形，使光学成像系统中目标像的像差急剧增加，如畸变、模糊、偏移、跳动等，对光的传输造成影响，这种影响叫做气动光学效应。激波效应是物体与大气相互作用之后最先形成的气动光学效应，激波会使光学系统产生离焦，光学传递函数产生畸变，进而图像质量下降1。

原理水蒸气在超音速流动过程中会产生核化凝结，并伴随着凝结波的形成。当非平衡状态的高速水蒸气与激波相遇时，波阵面上蒸汽参数发生剧变，激波的耗散效应使得两相流动速度瞬间减小，蒸气温度骤然升高，大量微小的液滴急速蒸发。当激波作用于核化凝结区时，核化凝结减弱甚至消失，两相流动将成单相流动2。

在流体力学中,表征物理量急剧变化从而反映流场主要特征的强间断运动,尤其是激波(亦称冲击波)的运动是极其重要的。气流主要参数发生显著突跃的变化处,称为激波。理想气体的激波没有厚度,是数学意义的不连续面实际气体有粘性和传热性,这种物理性质使激波成为连续式的,不过其过程仍十分急骤。因此,实际激波是有厚度的,但数值十分微小,只有气体分子自由程的某个倍数,波前的相对超音速马赫数越大,厚度值越小。在激波内部有气体与气体之间的摩擦存在,使一部分机械能转变为热能。所以激波的出现意味着机械能的损失和波阻力的产生,即产生能量耗散效应。由于激波的厚度非常小,因此一般不对激波内部情况进行研究,所关系的是气体流经激波前后的参数变化"气体流经过激波时受到剧烈的压缩,其压缩过程非常迅速,可看做是绝热的压缩过程。

气动激波就其形状来分有正激波、斜激波、离体激波、圆锥激波等。

意义超音速流动在航空航天、电力、化工、制冷、核工业中有着极为广泛的应用，近年来随着利用低温、低压热源的喷射式热泵的普及，现代核电站安全工程中蒸汽喷射泵显现出良好的应用前景，带TVC(蒸汽压缩器)装置的低温多效蒸发海水淡化技术(MED-TVC)的大力推广，推动了人们对蒸汽超音速流动特性及发生在流动过程中的能量交换与相变过程对喷射器性能影响进行机理研究的要求和兴趣3。

喷射器是依靠流体间的相互混合、撞击、摩擦来传递能量的，其内部的流动过程非常复杂，存在超音速流动、湍流、卷吸混合、激波等极为复杂的流动现象。这些非平衡、非定常流动现象的发生，使得喷射器内部的流动过程变得非常复杂。流体在超音速流动中强烈的可压缩性，会表现出与亚音速许多不同的特征，尤其压缩波或膨胀波的出现，对于流动参数会产生很大的影响。尤其在低温多效蒸发(LT-MED)海水淡化系统中，蒸汽喷射器(TVC)的工作状态将影响整个系统的效率和造水比。因此在喷射器内开展蒸汽超音速流场的特征分析、激波效应捕获及激波耗散效应研究有着重要的理论意义和工程价值。