基本介紹
- 中文名：正衝波
- 外文名：direct shock wave
- 別名：正激波
- 定義：指與來流垂直的激波的波陣面
- 一級學科：航空科技
- 二級學科：飛行術語
簡介,正激波的形成,
簡介
超聲速氣流繞物體流動時，在流場中往往出現突躍的壓縮波。氣流通過這種壓縮波時，壓強、密度、溫度都突躍地變高，速度則突躍地下降，氣流受到突躍壓縮。這種使氣流參數發生突躍變化的壓縮叫做激波（衝波）。
激波是超聲速氣流中經常出現的重要物理現象。例如，當超聲速氣流繞過較大的障礙物(如以超聲速飛行的炮彈，火箭，飛機等)時，氣流在障礙物前會受到急劇壓縮，壓強、密度和溫度突然顯著增加，氣流中就會產生激波。縮放噴管在非設計工況運動時，在噴管中的超聲速氣流中也可能產生激波；核子彈、氫彈爆炸時產生的破壞力很大的高壓強鋒面是激波；煤粉在煤粉爐中爆燃時產生的高壓強火焰鋒面同樣是激波。
氣流通過激波的壓縮過程，實際是一個在很短的距離內完成的過程，即激波的厚度非常小，理論計算和實測表明，在一般情況下，激波的厚度約為2.5×10cm，這個數量和氣體分子的自由行程(約7×10mm)的數量級相近。氣流要在這樣小的距離內完成一個顯著的壓縮過程，激波內的物理過程必定十分激烈。在這個過程中，氣體的黏性和導熱性占有重要的地位，從而導致激波的內部結構非常複雜。但是由於激波厚度很小，從工程套用角度看，可以不考慮激波的內部結構，而將激波處理為一個無限薄的面，也就是說把激波看作是一個不連續的間斷面。按照激波的形狀及其與氣流方向的關係，為正激波、斜激波和曲激波，如圖1所示。
圖1
（1）正激波：波面與氣流方向相垂直的平面激波。氣流經過正激波被壓縮後，只有速度大小的變化而流動方向不變，如圖1中(a)所示。
（2）斜激波：波面與氣流方向小垂直的平面激波。氣流經過斜激波被壓縮後，不僅速度大小發生突躍變化，而且氣流方向也發生改變，如圖1中(b)所示。
（3）曲激波：波面為曲面，如圖1中(c)所示。當超音波氣流流過鈍頭物體時，在物體前面往往產生脫體激波。這種激波就是曲激波。脫體的曲激波的中間部分與來流方向垂直，是正激波；沿著波面向外延伸的是強度逐漸減小的斜激波。
正激波的形成
下面舉一個簡單的例子來說明正激波的形成過程。
圖2
設有一根很長的等截面直管，管中充滿著靜止的氣體，在直管的左端有一個活塞，活塞向右作加速運動以壓縮管內氣體，在一小段時間內由靜止狀態加速到vg。然後作等速運動。為了分析方便起見，假設將活塞從靜止狀態加速到~~~，所需的時間分成許多相等的無窮小的時間間隔，並以每個時間間隔瞬時微小加速之和近似代替活塞從0→vg的加速過程，而且設在每兩個微小加速之間活塞做等速運動。
當活塞做第1次瞬時加速(0→dv)時，使緊靠活塞右側的氣體a的壓強增加微量dp，溫度增加微量dT，這時在氣體中產生一道壓縮波向右傳播。因為活塞的速度增量山很小，可以認為該壓縮波是微弱壓縮波，其傳播速度是尚未被壓縮的氣體中的聲速c1。微弱壓縮波左面的氣體受到一次微弱壓縮，由於活塞以速度dv向右移動，因而這部分氣體被活塞推著也以同樣的速度dv向右移動。微弱壓縮波右面的氣體未受活塞加速的影響，經過dt時間間隔後，管內氣體的壓強分布如圖2中(a)所示，壓強有變化處就是微弱壓縮波所在位置。
若再使活塞作第2次加速，使其速度由dv增加到2dv，在管內氣體中便產生第2道微弱壓縮波。第2道壓縮波是在經過第1道壓縮波後的氣體中以當地聲速相對於氣體傳播的，經過第1道壓縮波後，氣體溫度升高dT，聲速增大到c2。另外，經過第1次壓縮的氣體還以速度dv向右運動，故第2道微弱壓縮波相對於靜止管壁的絕對傳播速度應當為c2+dv，同時第2道壓縮波經過的氣體的壓強和速度都進一步增加一個微量(dp→2dp、dv→2dv)。這時第1道微弱壓縮波已傳到氣體b，使其壓強增加dp，並以聲速c1繼續向右傳播，經過2dt 時間間隔後，管內氣體的壓強分布如圖2中(b)所示。
依此類推，活塞做第3、第4、...瞬時微小加速(一直加速到vg為止)，活塞每加速一次，在管內氣體中就多一道微弱壓縮波，每道壓縮波總是在經過前幾次壓縮的氣體中以當地聲速相對於氣體向右傳播。氣體每經過一次壓縮，當地聲速就增大一次，即c3>c2>c1，c3+2dv>c2+dv>c1，即靠近活塞的微弱壓縮波的傳播速度比離活塞較遠的微弱壓縮波的傳播速度快。於是隨著時間的推移，波與波之間的距離逐漸減小，後面的微弱壓縮波逐個追上前面的微弱壓縮波，使微弱壓縮波疊加，壓強分布曲線變得越來越陡，最後壓強梯度達到無窮大，壓強分布曲線變為一條垂直線，這道壓強躍升的波就是激波，如圖2中(c)所示。以後，只要活塞以不變的速度vg運動，則在管內就能維持一個強度不變的激波。
以上的討淪說明，氣體被壓縮而產生的一系列微弱壓縮波有疊加的趨勢，當無數微弱的壓縮波疊加在一起時，就形成了激波。這種質的飛躍，是激波的性質，和微弱壓縮波有本質的差別。
圖3
如果令活塞向左加速運動，在管內將形成一系列向右傳播的微弱膨脹波。由於活塞的運動使氣體膨脹，溫度降低，則先產生的波比後產生的波傳播得快，波與波之間的距離拉大，後面的波永遠趕不上前面的波，因此不能形成激波。
