[科普中国]-激波层

形成原理

高超声速流动中气流绕过物体时，在物体附近形成一道激波，通常把物体头部附近的激波和物面之间的区域称为激波层。在高超声速条件下，由于激波很靠近物面，激波层是薄的，所以也称薄激波层。利用激波层薄的特点，可对钝头物体的高超声速无粘绕流问题，从理论上进行简化处理。
由物面向外,激波层可细分为物面附近的边界层、粘性作用可以忽略的无粘性区以及激波区。当激波层内气体的高温效应可以不考虑时（例如激波层内气体的温度小于2000开时），激波区的厚度是分子平均自由程的几倍。如果来流气体不很稀薄，分子碰撞自由程很小，在连续介质范围内，激波区的厚度可以忽略，激波就成为一个物理量不连续变化的间断面。边界层的厚度和来流雷诺数成反比。如果雷诺数很大，边界层便很薄，激波层几乎变成无粘性区，边界层对无粘性区的影响可以忽略。如果雷诺数降低，边界层的厚度增加，无粘性区的厚度减小，边界层和无粘性区流动之间的相互影响就变得重要。如果雷诺数更低，边界层更厚，甚至整个激波层被粘性边界层所充满。因此，激波层又可分成无粘性激波层、粘性-无粘性干扰激波层和粘性激波层等。
在高超声速飞行体形状为钝头的情况下，在钝头附近，激波接近于正激波，其强度很大。如果来流马赫数很高，激波层内的气体温度很高，就会产生一系列高温效应,例如气体分子的振动自由度被激发,气体出现离解和电离等。在气体出现电离后，激波层内的气体就包含电子和离子，此时激波层就会象一个鞘层把物体包围住，这种激波层称为等离子体鞘。研究这种情形下的激波层流动，对再入大气层过程中的通讯具有重要意义。根据这种情况，激波层又可分成无高温效应激波层和有高温效应激波层。
无粘性激波层中气体的运动，可用完全气体和具有化学反应的混合气体的欧拉方程（见流体力学基本方程组）描述；粘性激波层内的运动可用相应的纳维－斯托克斯方程描述；至于粘性-无粘性干扰激波层,则需联合求解欧拉方程和高阶边界层方程，或者直接求解简化的纳维-斯托克斯方程。2

相关计算激波层可分为亚音速区和超音速区。亚音速区位予驻点附近，气流穿过近似正激波，速度减小，温度升高，马赫数M1.亚音速区与超音速区的分界线称为音速线。

激波层内某点的当地压强p用下式计算：

式中p1——来流压强；pw——壁面压强。