В физике ударная волна (также пишется как ударная волна ) или шок — это тип распространяющегося возмущения, которое движется быстрее локальной скорости звука в среде. Как и обычная волна, ударная волна переносит энергию и может распространяться через среду, но характеризуется резким, почти прерывистым изменением давления , температуры и плотности среды. [1] [2] [3] [4] [5] [6]
Для сравнения, в сверхзвуковых потоках дополнительное увеличенное расширение может быть достигнуто с помощью веера расширения , также известного как веер расширения Прандтля–Майера . Сопутствующая волна расширения может приближаться и в конечном итоге сталкиваться и рекомбинировать с ударной волной, создавая процесс деструктивной интерференции. Звуковой удар, связанный с пролетом сверхзвукового самолета, является типом звуковой волны, создаваемой конструктивной интерференцией .
В отличие от солитонов (другой вид нелинейных волн), энергия и скорость ударной волны рассеиваются относительно быстро с расстоянием. Когда ударная волна проходит через вещество, энергия сохраняется, но энтропия увеличивается. Это изменение свойств вещества проявляется как уменьшение энергии, которая может быть извлечена в виде работы, и как сила сопротивления сверхзвуковым объектам ; ударные волны являются строго необратимыми процессами .
Ударные волны могут быть:
Некоторые другие термины:
Резкость изменения свойств среды, характеризующих ударные волны, можно рассматривать как фазовый переход : диаграмма «давление-время» распространяющегося сверхзвукового объекта показывает, что переход, вызванный ударной волной, аналогичен динамическому фазовому переходу .
Когда объект (или возмущение) движется быстрее, чем информация может распространиться в окружающую жидкость, то жидкость вблизи возмущения не может отреагировать или «уйти с дороги» до того, как прибудет возмущение. В ударной волне свойства жидкости ( плотность , давление , температура , скорость потока , число Маха ) изменяются почти мгновенно. [7] Измерения толщины ударных волн в воздухе дали значения около 200 нм (около 10−5 дюймов ), [8] что имеет тот же порядок величины, что и средняя длина свободного пробега молекул газа. Применительно к континууму это означает, что ударную волну можно рассматривать как линию или плоскость, если поле потока является двумерным или трехмерным соответственно.
Ударные волны образуются, когда фронт давления движется со сверхзвуковой скоростью и толкает окружающий воздух. [9] В области, где это происходит, звуковые волны, распространяющиеся против потока, достигают точки, в которой они не могут распространяться дальше вверх по течению, и давление в этой области постепенно нарастает; быстро формируется ударная волна высокого давления.
Ударные волны не являются обычными звуковыми волнами; ударная волна принимает форму очень резкого изменения свойств газа. Ударные волны в воздухе слышны как громкий «треск» или «щелчок». На больших расстояниях ударная волна может измениться из нелинейной волны в линейную волну, деградируя в обычную звуковую волну по мере нагревания воздуха и потери энергии. Звуковая волна слышна как знакомый «стук» или «бух» звукового удара , обычно создаваемого сверхзвуковым полетом самолета.
Ударная волна — один из нескольких различных способов сжатия газа в сверхзвуковом потоке. Некоторые другие методы — это изоэнтропические сжатия, включая сжатия Прандтля -Майера. Метод сжатия газа приводит к разным температурам и плотностям для заданного отношения давлений, которые могут быть аналитически рассчитаны для нереагирующего газа. Сжатие ударной волной приводит к потере полного давления, что означает, что это менее эффективный метод сжатия газов для некоторых целей, например, во впускном отверстии гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя . Появление сопротивления давления на сверхзвуковых самолетах в основном обусловлено влиянием сжатия ударной волны на поток.
В элементарной механике жидкости, использующей идеальные газы , ударная волна рассматривается как разрыв, где энтропия резко возрастает по мере прохождения ударной волны. Поскольку поток жидкости не является разрывным, вокруг ударной волны устанавливается контрольный объем с контрольными поверхностями, которые ограничивают этот объем параллельно ударной волне (с одной поверхностью на стороне до ударной волны жидкой среды и одной на стороне после ударной волны). Две поверхности разделены очень малой глубиной, так что сам удар полностью содержится между ними. На таких контрольных поверхностях импульс, поток массы и энергия постоянны; в пределах горения детонацию можно моделировать как подвод тепла через ударную волну. Предполагается, что система является адиабатической (тепло не выходит и не входит в систему) и работа не выполняется. Из этих соображений вытекают условия Ренкина-Гюгонио .
Принимая во внимание установленные предположения, в системе, где свойства потока вниз по течению становятся дозвуковыми: свойства потока вверх и вниз по течению жидкости считаются изоэнтропическими. Поскольку общее количество энергии в системе постоянно, энтальпия стагнации остается постоянной в обеих областях. Однако энтропия увеличивается; это должно быть учтено падением давления стагнации жидкости вниз по течению.
При анализе ударных волн в поле потока, которые все еще прикреплены к телу, ударная волна, которая отклоняется под некоторым произвольным углом от направления потока, называется косым скачком уплотнения. Эти скачки уплотнения требуют компонентного векторного анализа потока; это позволяет рассматривать поток в ортогональном направлении к косому скачку уплотнения как нормальный скачок уплотнения.
Когда существует вероятность формирования косого скачка уплотнения под углом, который не может оставаться на поверхности, возникает нелинейное явление, при котором ударная волна образует непрерывный рисунок вокруг тела. Они называются головными скачками уплотнения . В этих случаях модель одномерного потока недействительна, и необходим дополнительный анализ для прогнозирования сил давления, которые оказываются на поверхности.
Ударные волны могут образовываться из-за укручения обычных волн. Наиболее известным примером этого явления являются океанские волны , которые образуют прибои на берегу. На мелководье скорость поверхностных волн зависит от глубины воды. Входящая океанская волна имеет немного более высокую скорость волны вблизи гребня каждой волны, чем вблизи впадин между волнами, поскольку высота волны не бесконечно мала по сравнению с глубиной воды. Гребни обгоняют впадины, пока передний край волны не образует вертикальную поверхность и не переливается, образуя турбулентный удар (прибой), который рассеивает энергию волны в виде звука и тепла.
Аналогичные явления влияют на сильные звуковые волны в газе или плазме из-за зависимости скорости звука от температуры и давления. Сильные волны нагревают среду вблизи каждого фронта давления из-за адиабатического сжатия самого воздуха, так что фронты высокого давления опережают соответствующие впадины давления. Существует теория, что уровни звукового давления в медных духовых инструментах, таких как тромбон, становятся достаточно высокими для возникновения крутизны, что составляет существенную часть яркого тембра инструментов. [10] Хотя образование ударных волн этим процессом обычно не происходит с незамкнутыми звуковыми волнами в атмосфере Земли, считается, что это один из механизмов, с помощью которого нагреваются солнечная хромосфера и корона посредством волн, которые распространяются вверх из недр Солнца.
Ударную волну можно описать как самую дальнюю точку вверх по течению от движущегося объекта, которая «знает» о приближении объекта. В этом описании положение ударной волны определяется как граница между зоной, не имеющей информации о событии, вызывающем удар, и зоной, осведомленной о событии, вызывающем удар, аналогично световому конусу , описанному в специальной теории относительности .
Чтобы создать ударную волну, объект в данной среде (например, воздух или вода) должен двигаться быстрее локальной скорости звука. В случае самолета, летящего с высокой дозвуковой скоростью, области воздуха вокруг самолета могут двигаться точно со скоростью звука, так что звуковые волны, покидающие самолет, накладываются друг на друга, подобно пробке на автомагистрали. Когда образуется ударная волна, локальное давление воздуха увеличивается, а затем распространяется в стороны. Из-за этого эффекта усиления ударная волна может быть очень интенсивной, больше похожей на взрыв, если слышать ее на расстоянии (не случайно, поскольку взрывы создают ударные волны).
Аналогичные явления известны и за пределами механики жидкости. Например, заряженные частицы, ускоренные сверх скорости света в преломляющей среде (такой как вода, где скорость света меньше, чем в вакууме ), создают видимые ударные эффекты, явление, известное как черенковское излучение .
Ниже приведен ряд примеров ударных волн, объединенных в общую группу со схожими ударными явлениями:
Ударные волны также могут возникать в быстрых потоках плотных гранулированных материалов вниз по наклонным каналам или склонам. Сильные удары в быстрых плотных гранулированных потоках можно изучать теоретически и анализировать для сравнения с экспериментальными данными. Рассмотрим конфигурацию, в которой быстро движущийся вниз по желобу материал сталкивается с преградой, воздвигнутой перпендикулярно в конце длинного и крутого канала. Удар приводит к внезапному изменению режима потока от быстро движущегося сверхкритического тонкого слоя к стоячей толстой куче. Эта конфигурация потока особенно интересна, поскольку она аналогична некоторым гидравлическим и аэродинамическим ситуациям, связанным с изменением режима потока от сверхкритических до докритических потоков.
Астрофизические среды характеризуются множеством различных типов ударных волн. Некоторые распространенные примеры — ударные волны сверхновых или взрывные волны, распространяющиеся через межзвездную среду, головная ударная волна, вызванная столкновением магнитного поля Земли с солнечным ветром , и ударные волны, вызванные столкновением галактик друг с другом. Еще один интересный тип ударной волны в астрофизике — квазиустойчивая обратная ударная волна или терминальная ударная волна, которая завершает ультрарелятивистский ветер молодых пульсаров .
Ударные волны генерируются метеороидами, когда они входят в атмосферу Земли. [11] Тунгусское событие и российский метеоритный инцидент 2013 года являются наилучшими задокументированными доказательствами ударной волны, созданной массивным метеороидом .
Когда метеорит 2013 года вошел в атмосферу Земли с выделением энергии, эквивалентной 100 или более килотоннам тротила, что в десятки раз мощнее атомной бомбы, сброшенной на Хиросиму , ударная волна метеорита вызвала разрушения, как при пролете сверхзвукового реактивного самолета (прямо под траекторией метеорита), так и в виде детонационной волны , при этом кольцевая ударная волна была сосредоточена в месте взрыва метеорита, что привело к многочисленным случаям разбития стекол в городе Челябинске и соседних районах (на фото).
В приведенных ниже примерах ударная волна контролируется, создается (например, аэродинамическим профилем) или внутри технологического устройства, например, турбины .
Двигатель с волновым диском (также называемый «радиальным волновым ротором внутреннего сгорания») — это разновидность беспоршневого роторного двигателя , который использует ударные волны для передачи энергии от высокоэнергетической жидкости к низкоэнергетической жидкости, тем самым повышая как температуру, так и давление низкоэнергетической жидкости.
В мемристорах под действием внешнего электрического поля ударные волны могут распространяться через оксиды переходных металлов, создавая быстрые и нелетучие изменения сопротивления. [12]
Необходимы передовые методы для захвата ударных волн и их обнаружения как в численных расчетах, так и в экспериментальных наблюдениях. [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19]
Вычислительная гидродинамика обычно используется для получения поля течения с ударными волнами. Хотя ударные волны представляют собой резкие разрывы, в численных решениях течения жидкости с разрывами (ударная волна, контактный разрыв или линия скольжения) ударная волна может быть сглажена численным методом низкого порядка (из-за численной диссипации) или возникают паразитные колебания вблизи поверхности удара численным методом высокого порядка (из-за явления Гиббса [20] ).
Существуют и другие разрывы в потоке жидкости, помимо ударной волны. Поверхность скольжения (3D) или линия скольжения (2D) — это плоскость, поперек которой касательная скорость разрывна, в то время как давление и нормальная скорость непрерывны. Поперек контактного разрыва давление и скорость непрерывны, а плотность разрывна. Сильная волна расширения или сдвиговый слой также могут содержать области с высоким градиентом, которые кажутся разрывом. Некоторые общие черты этих структур потока и ударных волн, а также недостаточные аспекты численных и экспериментальных инструментов приводят к двум важным проблемам на практике: (1) некоторые ударные волны не могут быть обнаружены или их положения определяются неправильно, (2) некоторые структуры потока, которые не являются ударными волнами, ошибочно определяются как ударные волны.
На самом деле, правильный захват и обнаружение ударных волн важны, поскольку ударные волны оказывают следующее влияние: (1) вызывают потерю полного давления, что может быть проблемой, связанной с производительностью ГПВРД, (2) обеспечивают подъемную силу для конфигурации волнолета, поскольку косая ударная волна на нижней поверхности транспортного средства может создавать высокое давление для создания подъемной силы, (3) приводят к волновому сопротивлению высокоскоростного транспортного средства, что вредно для производительности транспортного средства, (4) вызывают сильную нагрузку давления и тепловой поток, например, интерференция ударных волн типа IV может привести к 17-кратному увеличению нагрева на поверхности транспортного средства, (5) взаимодействуют с другими структурами, такими как пограничные слои, создавая новые структуры потока, такие как разделение потока, переход и т. д.
{{citation}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )Никонов, В. Полулагранжев метод типа Годунова без численной вязкости для ударных волн. Жидкости 2022, 7, 16. https://doi.org/10.3390/fluids7010016
