В физике ударная волна (также называемая ударной волной ) или удар — это тип распространяющегося возмущения, которое движется быстрее, чем локальная скорость звука в среде. Как и обычная волна, ударная волна несет энергию и может распространяться в среде, но характеризуется резким, почти прерывистым изменением давления , температуры и плотности среды. [1] [2] [3] [4] [5] [6]
Для сравнения: в сверхзвуковых потоках дополнительное увеличение расширения может быть достигнуто с помощью расширительного вентилятора , также известного как расширительный вентилятор Прандтля-Мейера . Сопутствующая волна расширения может приблизиться и в конечном итоге столкнуться и рекомбинировать с ударной волной, создавая процесс деструктивной интерференции. Звуковой удар , связанный с пролетом сверхзвукового самолета, представляет собой разновидность звуковой волны, возникающей в результате конструктивной интерференции .
В отличие от солитонов (еще одного вида нелинейных волн), энергия и скорость самой ударной волны относительно быстро рассеиваются с расстоянием. Когда ударная волна проходит через вещество, энергия сохраняется, но энтропия увеличивается. Это изменение свойств материи проявляется в уменьшении энергии, которая может быть извлечена в виде работы, и в силе сопротивления сверхзвуковых объектов ; ударные волны являются сильно необратимыми процессами .
Ударные волны могут быть:
Некоторые другие термины:
Резкое изменение свойств среды, характеризующих ударные волны, можно рассматривать как фазовый переход : диаграмма давление-время распространения сверхзвукового объекта показывает, насколько переход, индуцированный ударной волной, аналогичен динамическому фазовому переходу. .
Когда объект (или возмущение) движется быстрее, чем информация может распространиться в окружающую жидкость, тогда жидкость рядом с возмущением не может отреагировать или «уйти с дороги» до того, как возникнет возмущение. В ударной волне свойства жидкости ( плотность , давление , температура , скорость потока , число Маха ) изменяются практически мгновенно. [7] Измерения толщины ударных волн в воздухе дали значения около 200 нм (около 10 -5 дюймов), [8] что находится на том же порядке, что и длина свободного пробега молекул газа. Применительно к континууму это означает, что ударную волну можно рассматривать либо как линию, либо как плоскость, если поле потока двумерное или трехмерное соответственно.
Ударные волны образуются, когда фронт давления движется со сверхзвуковой скоростью и давит на окружающий воздух. [9] В той области, где это происходит, звуковые волны, распространяющиеся против потока, достигают точки, в которой они не могут двигаться дальше вверх по течению, и давление в этой области постепенно нарастает; быстро формируется ударная волна высокого давления.
Ударные волны — это не обычные звуковые волны; ударная волна принимает форму очень резкого изменения свойств газа. Ударные волны в воздухе воспринимаются как громкий «треск» или «щелкающий» шум. На больших расстояниях ударная волна может превратиться из нелинейной в линейную волну, перерождающуюся в обычную звуковую волну по мере нагревания воздуха и потери энергии. Звуковая волна слышна как знакомый «стук» или «стук» звукового удара , обычно создаваемого сверхзвуковым полетом самолета.
Ударная волна — это один из нескольких способов сжатия газа в сверхзвуковом потоке. Некоторые другие методы представляют собой изэнтропическое сжатие, включая сжатие Прандтля – Мейера. Метод сжатия газа приводит к получению различных температур и плотностей для заданной степени давления, которые можно аналитически рассчитать для нереагирующего газа. Сжатие ударной волной приводит к потере общего давления, а это означает, что это менее эффективный метод сжатия газов для некоторых целей, например, при впуске ГПВРД . Появление сопротивления давления на сверхзвуковых самолетах обусловлено главным образом воздействием на поток ударного сжатия.
В элементарной механике жидкости с использованием идеальных газов ударная волна рассматривается как разрыв, при котором энтропия резко возрастает по мере прохождения ударной волны. Поскольку поток жидкости не является прерывистым, вокруг ударной волны создается контрольный объем , причем управляющие поверхности, ограничивающие этот объем, параллельны ударной волне (с одной поверхностью на доударной стороне жидкой среды и одной на постударной стороне). шоковая сторона). Две поверхности разделены очень небольшой глубиной, так что сама ударная волна полностью находится между ними. На таких рулях импульс, поток массы и энергия постоянны; При горении детонацию можно смоделировать как перенос тепла через ударную волну. Предполагается, что система адиабатическая (тепло не выходит и не поступает в систему) и работа не совершается. Из этих соображений возникают условия Ренкина –Гюгонио .
С учетом установленных допущений в системе, где свойства потока ниже по потоку становятся дозвуковыми: свойства потока жидкости вверх и вниз по потоку считаются изоэнтропическими. Поскольку общее количество энергии внутри системы постоянно, энтальпия торможения остается постоянной в обеих областях. Однако энтропия возрастает; это должно быть объяснено падением давления торможения жидкости ниже по потоку.
При анализе ударных волн в поле течения, еще прикрепленных к телу, ударную волну, отклоняющуюся на произвольный угол от направления потока, называют косым скачком уплотнения. Эти потрясения требуют векторного анализа потоков; это позволяет рассматривать поток в направлении, ортогональном косому скачку, как нормальный скачок.
Когда существует вероятность формирования косого скачка скачка под углом, который не может оставаться на поверхности, возникает нелинейное явление, когда ударная волна образует непрерывный узор вокруг тела. Это так называемые носовые амортизаторы. В этих случаях 1d-модель потока недействительна, и необходим дальнейший анализ для прогнозирования сил давления, действующих на поверхность.
Ударные волны могут образовываться из-за закручивания обычных волн. Самый известный пример этого явления — океанские волны , образующие прибои на берегу. На мелководье скорость поверхностных волн зависит от глубины воды. Набегающая океанская волна имеет немного более высокую скорость волны вблизи гребня каждой волны, чем возле впадин между волнами, поскольку высота волны не является бесконечно малой по сравнению с глубиной воды. Гребни обгоняют впадины до тех пор, пока передний край волны не образует вертикальную грань и не переливается, образуя турбулентный скачок (прибой), который рассеивает энергию волны в виде звука и тепла.
Подобные 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, чтобы произошло повышение крутизны, что составляет важную часть яркого тембра инструментов. [10] Хотя образование ударной волны в результате этого процесса обычно не происходит с незамкнутыми звуковыми волнами в атмосфере Земли, считается, что это один из механизмов нагрева солнечной хромосферы и короны посредством волн, которые распространяются вверх из недр Солнца.
Ударную волну можно описать как самую дальнюю точку перед движущимся объектом, которая «знает» о приближении объекта. В этом описании положение ударной волны определяется как граница между зоной, не имеющей информации о событии ударной волны, и зоной, осведомленной о событии ударной волны, аналогично световому конусу, описанному в специальной теории относительности .
Чтобы создать ударную волну, объект в данной среде (например, в воздухе или воде) должен двигаться быстрее, чем местная скорость звука. В случае полета самолета с высокой дозвуковой скоростью области воздуха вокруг самолета могут двигаться точно со скоростью звука, так что звуковые волны, выходящие из самолета, накапливаются друг на друге, подобно пробке на автомагистрали. . Когда образуется ударная волна, местное давление воздуха увеличивается, а затем распространяется вбок. Из-за этого эффекта усиления ударная волна может быть очень интенсивной, больше похожей на взрыв, когда ее слышно на расстоянии (не случайно, поскольку взрывы создают ударные волны).
Аналогичные явления известны за пределами механики жидкости. Например, заряженные частицы, ускоренные сверх скорости света в преломляющей среде (например, в воде, где скорость света меньше, чем в вакууме ) , создают видимые ударные эффекты — явление, известное как черенковское излучение .
Ниже приведен ряд примеров ударных волн, в целом сгруппированных со схожими ударными явлениями:
Ударные волны также могут возникать при быстром потоке плотных сыпучих материалов по наклонным каналам или склонам. Сильные толчки в быстрых плотных зернистых потоках можно изучать теоретически и анализировать для сравнения с экспериментальными данными. Рассмотрим конфигурацию, в которой быстро движущийся материал по желобу сталкивается со стенкой препятствия, установленной перпендикулярно в конце длинного и крутого канала. Удар приводит к внезапному изменению режима течения от быстро движущегося сверхкритического тонкого слоя к застойному толстому куче. Эта конфигурация течения особенно интересна, поскольку она аналогична некоторым гидравлическим и аэродинамическим ситуациям, связанным с изменением режима течения от сверхкритического потока к докритическому.
В астрофизической среде присутствует множество различных типов ударных волн. Некоторыми распространенными примерами являются 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. Другой интересный тип ударной волны в астрофизике — это квазистационарная обратная ударная волна или завершающая ударная волна, которая прекращает ультрарелятивистский ветер от молодых пульсаров .
Ударные волны генерируются метеороидами, когда они входят в атмосферу Земли. [11] Тунгусское событие и Российский метеорит в 2013 году являются лучшими задокументированными свидетельствами ударной волны, вызванной массивным метеороидом .
Когда метеор 2013 года вошел в атмосферу Земли с энерговыделением, эквивалентным 100 и более килотоннам в тротиловом эквиваленте, что в десятки раз мощнее атомной бомбы, сброшенной на Хиросиму , ударная волна метеора вызвала разрушения, как при пролете сверхзвукового самолета (прямо под ним). траектории метеора) и в виде детонационной волны с круговой ударной волной, сосредоточенной в месте взрыва метеора, вызывающей многочисленные случаи разбития стекол в городе Челябинске и соседних областях (на фото).
В приведенных ниже примерах ударная волна контролируется и создается (например, аэродинамическим профилем) или внутри технологического устройства, такого как турбина .
Волновой дисковый двигатель (также называемый «Радиальный волновой ротор внутреннего сгорания») представляет собой разновидность беспоршневого роторного двигателя , который использует ударные волны для передачи энергии между жидкостью с высокой энергией к жидкости с низкой энергией, тем самым увеличивая как температуру, так и давление жидкости. низкоэнергетическая жидкость.
В мемристорах под действием внешнего электрического поля ударные волны могут проходить через оксиды переходных металлов, создавая быстрые и нелетучие изменения удельного сопротивления. [12]
Необходимы передовые методы для захвата ударных волн и обнаружения ударных волн 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, при численном решении течения жидкости с разрывами (ударная волна, контактный разрыв или линия скольжения) ударная волна может сглаживаться численным методом низкого порядка (за счет численной диссипации) или возникают паразитные колебания. вблизи ударной поверхности численным методом высокого порядка (за счет явления Гиббса [20] ).
Помимо ударной волны, существуют и другие разрывы в потоке жидкости. Поверхность скольжения (3D) или линия скольжения (2D) представляет собой плоскость, в которой касательная скорость прерывиста, а давление и нормальная скорость непрерывны. Поперек контактного разрыва давление и скорость непрерывны, а плотность неоднородна. Сильная волна расширения или слой сдвига также могут содержать области с высоким градиентом, которые кажутся разрывами. Некоторые общие черты этих структур потока и ударных волн, а также недостаточность численных и экспериментальных инструментов приводят к двум важным практическим проблемам: (1) некоторые ударные волны не могут быть обнаружены или их положение определяется неправильно, (2) некоторые структуры потока которые не являются ударными волнами, ошибочно принимаются за ударные волны.
Фактически, правильный захват и обнаружение ударных волн важны, поскольку ударные волны оказывают следующее влияние: (1) вызывают потерю общего давления, что может быть проблемой, связанной с характеристиками ГПВРД, (2) обеспечивают подъемную силу для конфигурации с волновым наездником , поскольку косая ударная волна на нижней поверхности транспортного средства может создавать высокое давление, вызывающее подъемную силу, (3) что приводит к волновому сопротивлению высокоскоростного транспортного средства, что вредно для его характеристик, (4) вызывает сильную нагрузку от давления и тепловой поток, например, ударно-ударное взаимодействие типа IV может привести к увеличению нагрева поверхности транспортного средства в 17 раз, (5) взаимодействуя с другими структурами, такими как пограничные слои, для создания новых структур потока, таких как отрыв потока, переход и т. д.
{{citation}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )Никонов В. Полулагранжев метод Годунова без численного расчета вязкости для ударов. Жидкости 2022, 7, 16. https://doi.org/10.3390/fluids7010016.
