基本介紹
- 中文名：激波角
- 外文名：shockwave angle
- 領域：流體力學
- 定義：激波的流速方向與激波間的夾角
- 分類：直角為正激波，否則斜激波
- 發生條件：超音速流動、爆炸、衝擊等
定義,激波的傳播,航空航天中,薄激波層,熵層,粘性干擾效應,
定義
在物理學中，激波也叫衝擊波，是一種傳播擾動。當波的移動速度超過流體中本地的聲速時，它就是一種激波。像普通的波一樣，激波攜帶能量，可以通過介質傳播；然而，其特徵在於介質的壓力，溫度和密度的突然變化，幾乎不連續的變化。在超音速流動中，可以通過擴展風扇（也稱為Prandtl-Meyer擴展風扇）來實現擴展。
與孤子（另一種非線性波）不同，衝擊波的能量隨距離相對快速地消散。此外，伴隨的擴張波接近並最終與衝擊波併入，能量會部分消失。因此，與超音速飛機通過相關的聲波是由衝擊波和飛機產生的膨脹波的退化和合併而產生的聲波。
當衝擊波通過物質時，能量被保留，但熵增加。物質屬性的這種變化表現為能夠作為工作提取的能量的減少，並且作為超音速物體的阻力；衝擊波是強不可逆的過程。
激波的傳播
激波的傳播特性既取決於激波的產生條件，也與所處的傳播環境密切相關。 驅動條件、幾何邊界、介質的物理化學屬性等發生變化時，都會引起激波傳播特性的改變 ， 而激波的變化反過來又會對其波及的流場產生影響 . 儘管激波傳播及其干擾現象廣泛存在於自然界和人類科技活動之中，其複雜機理的認識、規律的描述乃至套用潛力的挖掘仍有漫長的路要走 。
一維波系相互作用
激波的強間斷性帶來複雜性，但也給問題的簡化帶來便利。因為這一特點使得在法向穿過波面的尺度相對於其他方向可以忽略，且兩側的參數變化成為主要矛盾，從而為建立激波前後參數（ 如壓力 p 、密度 ρ 、速度 u 、焓 h 等 ） 的簡化描述關係提供了可能。其中較為典型的代表應屬蘭金 — 雨貢紐關係。
二維波系相互作用
當激波傳播過程中的傳播條件發生改變，包括壁麵條件、傳播介質的屬性以及流場參數等出現變化時，激波都難免會與之產生相互作用。其中激波受壁面 “ 壓縮 ” 作用產生的反射，穿越聲抗變化介質出現的折射以及與其他波系相遇產生的相交等現象作為典型的干擾形式而受到關注和較為系統的研究。儘管自然界和工程實際中的激波干擾一般均具有三維性，但鑒於激波面極薄以及在垂直於波面法向的參數變化和作用劇烈的特徵，前人為突出重點和分解難點，巧妙地尋求出基於激波法向剖面內進行二維簡化的分析方法，從而為這類相互作用的簡明理論描述和分析提供了一條簡潔的途徑。
航空航天中
當飛行器飛行速度和馬赫數進一步提高，流場特性相對於較低馬赫數的超聲速流動又會存在較為明顯的差異。錢學森先生在1945年出版的《高超聲速相似律》一書中首次以“hypersonic”即高超聲速一詞來描述馬赫數大於5的流動。Anderson(1 989)在其著作《Hypersonic and High Temperature Gas Dynamics》中對高超聲速流動進行了歸納和總結，認為相對於一般的超聲速流動，高超聲速流動具有以下顯著的特徵：
薄激波層
激波層，一般是指激波與誘發激波的物體表面之間的流場。在超聲速流動中，流動方向受到壁面壓縮而發生偏轉時，會有斜激波產生。氣體通過斜激波壓縮後，氣體的壓力、密度、溫度升高，速度及馬赫數降低。根據斜激波理論可以知道，當壁面角度一定，即氣流偏轉角一定時，激波波後氣體密度隨來流馬赫數的增加而增加，並最終達到一極限值。考慮來流具有相同的質量流量情況下，波後氣體密度越高，則所需的面積越小。因此在高超聲速流動中，激波與物體表面的距離很小，激波緊貼壁面。因此稱為薄激波層。
熵層
由高超聲速層流邊界層方程的自相似解可以得到，在物體頭部駐點位置，對流傳熱值與頭部曲率半徑的平方根成反比。因此，在高超聲速飛行器設計工作中，通常對飛行器頭部、進氣道唇口、控制面前緣等前緣進行鈍化處理，以減輕前緣位置的熱負荷。高超聲速條件下，繞鈍體的弓形激波高度彎曲。氣流經過激波後產生熵增，頭部區域不同位置的激波角不同，故頭部區域不同位置的流線通過激波後的熵增也不同，形成極強的熵梯度。這部分具有強熵梯度的氣體覆蓋在物體表面，即形成了熵層。熵層具有強烈的旋度，並覆蓋在物體表面至頭部下游一定距離，物體表面的邊界層會在熵層內發展，受到熵層的影響。熵層的存在會使邊界層的外緣條件難以確定，因而使與邊界層相關的計算更加困難。
粘性干擾效應
高超聲速條件下，高速運動的氣流具有極高的動能。在邊界層內，由於粘性效應，氣體速度逐漸降低，動能轉化為內能，這一過程稱為粘性耗散。受粘性耗散的影響，邊界層內氣體溫度升高。溫度升高會導致氣體粘性係數的增大及密度的降低。這兩方面的影響會導致高超聲速邊界層厚度明顯增加。厚度顯著增加的邊界層會對外部無粘流產生影響，而無粘流的流動狀態的改變又會影響邊界層的增長與發展。邊界層與外部無粘流的相互作用即稱為粘性干擾。粘性干擾對物體表面的壓力分布有重要影響，同時會使摩擦阻力及壁面熱負荷增大。在馬赫數及邊界層厚度增加到一定程度，物體表面的邊界層會與激波層相融合，這時整個激波層內的流動都需要按粘性流動進行處理。
