Что вызывает снижение скорости ударной волны?

Если вы посмотрите, что вызывает шок, в его корне должно быть препятствие. См. рисунок ниже для прямого и наклонного скачков сжатия:

В случае прямого удара это может быть тупой корпус или воздухозаборник, заполненный более медленно движущимся воздухом с более высоким давлением. В случае косого скачка это явно изгиб контура стенки, который заставляет поток менять направление.

Индекс 1 обозначает условия перед скачком, а 2 — после скачка. Для слабых прямых ударов произведение скорости впереди удара$v_1$и скорость мимо удара$v_2$равен квадрату скорости звука:

$$v_1\cdot v_2 = a^2$$ Если мы назовем местный номер Маха $Ma$, и если $Ma_1 > 1$, затем $Ma_2$должно быть меньше 1, поэтому поток всегда замедляется до дозвуковой скорости прямым ударным скачком. То же самое относится и к нормальной составляющей косого скачка: она также становится дозвуковой. Поскольку полная энергия газа не меняется, его давление, плотность и температура увеличиваются при торможении.

Инкрементное изменение давления$\delta p$из-за изгиба с добавочным углом$\delta\vartheta$, выраженный через невозмущенный поток с индексом$\infty$, пропорциональна изменению линий тока:

$$\delta p = -\frac{\rho_{\infty}\cdot v^2_{\infty}}{\sqrt{Ma^2_{\infty} - 1}}\cdot\delta\vartheta$$

Давление газа на молекулярном уровне определяется количеством и серьезностью столкновений частиц . Молекулы воздуха испытывают больше столкновений на нижней стороне ударной волны, так как давление воздуха там выше. Среднее направление дополнительных столкновений действительно ортогонально ударной волне, потому что это граница между пребывающими в блаженном неведении молекулами при атмосферном давлении перед ударной волной и их ушибленными собратьями ниже по течению, которые только что пересекли эту границу. Как только молекула прошла удар, столкновения снова происходят одинаково со всех сторон, и ее скорость уже не меняется.

На дозвуковых скоростях это изменение давления может распространяться во всех направлениях и становится небольшим градиентом давления. При сверхзвуковой скорости никакая информация о предстоящем изменении давления не может распространяться вперед, поэтому изменение концентрируется во фронте ударной волны.

Механизм не так сложен, как может показаться на первый взгляд. Во-первых, что такое сверхзвуковой поток? Это поток, в котором скорость воздуха выше, чем число Маха > 1, и если мы говорим о воздухе, поступающем от восходящего дозвукового потока, то воздух будет иметь более низкое давление (именно это происходит на верхней поверхности крыла). ).

Итак, высокоскоростной воздух с низким давлением, который пытается двигаться по крылу до конца крыла (задней кромки), но в конце крыла воздух находится при дозвуковом давлении вверх по потоку... значит, воздух при более высокое давление обычно пытается перейти в воздух низкого давления ... но сверхзвуковой воздух имеет большую инерцию.

Наконец, мы получаем воздух с высокой скоростью, который очень трудно остановить ... мы говорим об очень высоких скоростях, и единственный способ, которым воздух может адаптироваться, - это в очень маленьком пространстве с ударной волной.

Это механизм, который называется «ударная волна в неблагоприятном градиенте давления».

Есть еще один механизм, описанный выше, — сверхзвуковое обтекание препятствий.

Представьте себе, что у нас есть сверхзвуковой поток, движущийся в сторону ступеньки или пандуса... Очевидно, что воздух имеет ту же высокую инерцию, он сверхзвуковой!!! Но воздух "не знает", что есть пандус. Почему бы нет? Поскольку информация внутри жидкости движется со скоростью звука, молекулы воздуха, которые ограничивают рампу, не могут достаточно быстро достичь других молекул.

Итак... высокоинерционный поток движется к рампе и вдруг замечает рампу, к которой поток не адаптировался раньше и должен адаптироваться!!! Так что это внезапно очень похоже на то, что раньше.

Другой способ понять механизм — посмотреть на волны, которые возникают, когда мы бросаем камень в воду. Что происходит, когда они подходят к берегу? Они продолжают, поскольку берега нет, пока внезапно не замечают его и не умирают или не привязываются к нему. Тот же механизм (фактически тот же!!! сверхзвук движется "волнами").

Наконец, просто отметим, что ударная волна имеет конечный размер, действительно мала, но не является поверхностью нулевой толщины. Обратите внимание, что у нас есть область, где высокая скорость превращается в низкую скорость в очень маленьком пространстве. Там вязкость играет роль.