超音速流与激波的物理原理及其应用
激波简介
乘波体外形的发展和应用 乘波体外形优越的气动特性已成为现代导弹， 特别是高 速远程巡航导弹和航天飞行器的候选外形。 乘波体飞行器的研究方向 21世纪以前，国内外研究者绝大部分工作都集中在用流 线追踪法或参数设计法对乘波前体进行无粘与有粘的设计和 优化，由单独考虑升阻比性能，逐步过渡到升阻比、容积率 和热防护的多目标优化，使得乘波飞行器在实用化道路上迈 上了新台阶。进入21世纪后，由于乘波构型机身设计理论渐 趋成熟和完善，研究者把更多注意力集中到高超声速乘波飞 行器机身/发动机一体化关键技术设计上来，其中包括前体/ 进气道一体化设计技术、燃烧室构型优化技术以及尾喷管/后 体一体化设计技术。
我国JF-12超高音速激波风洞
乘波体
高超声速飞行器具有速度快、高度高、巡航距离远、突防能力强等特 点，所以必须采用一种高升阻比和强机动性的气动外形。目前适合高超声 速飞行器的外形有升力体、翼身融合体、轴对称旋成体、乘波体等。
所谓乘波体 (Waverider)，是指一种外形是流线形， 其所有的前缘都 具有附体激波的超音速或高超音速的飞行器。通俗的讲，乘波体飞行时 其前缘平面与激波的上表面重合，就象骑在激波的波面上，依靠激波的 压力产生升力，所以叫乘波体(Waverider)。如果把大气层边缘看作水面， 乘波体飞行时就像是在水面上打漂漂（这个比喻可能不够恰当，因为打 漂漂是一种不稳定的跳跃式飞行，而乘波体飞行时很稳定）。乘波体飞 行器不用机翼产生升力，而是靠压缩升力和激波升力飞行，像水面由快 艇拖带的滑水板一样产生压缩升力。超音速飞行形成的激波不仅是阻力 的源泉，也是飞行器“踩”在激波的锋面背后“冲浪”的载体。 乘 波体的概念是在1959年由诺威勒（Nonweiler）提出的，诺威勒首先提出 根据已知流场构造三维高超声速飞行器的想法，用平面斜激波形成流场 构造出一种具有“Λ”型横截面的高超声速飞行器。美国马里兰大学 Rasmussen等人发表了中锥形流动生成乘波体的论文。值得一提的是， 与Nonweiler的二维“Λ”型设计相比，由圆锥流场生成的乘波体容积率 大得多，且具有较高的升阻比。1989年，由NASA赞助，在马里兰大学 举行了乘波体国际会议，会上Sobieczky等人提出了用相切锥生成乘波体 的方法。其特点是通过使用多个锥体来设计激波模式，这使得人们可以 根据飞行器的需要来设计复杂构型，从而使乘波体飞行器具有向实用性 发展的可能。
激波
激波运动气体中的强压缩波。
在超声速运动时，由于微扰动（如弱压缩波）的叠加而形成的强间断，带有很强的非线性效应.原子弹爆炸形成的蘑菇云也是一种激波经过激波，气体的压强、密度、温度都会突然升高，流速则突然下降。
压强的跃升产生可闻的爆响。
如飞机在较低的空域中作超音速飞行时，地面上的人可以听见这种响声，即所谓音爆。
利用经过激波气体密度突变的特性，可以用光学仪器把激波拍摄下来（见风洞测量方法）。
理想气体的激波没有厚度，是数学意义的不连续面。
实际气体有粘性和传热性，这种物理性质使激波成为连续式的，不过其过程仍十分急骤。
因此，实际激波是有厚度的，但数值十分微小，只有气体分子自由程的某个倍数，波前的相对超音速马赫数越大，厚度值越小。
基本分类激波就其形状来分有正激波、斜激波。
超声速来流在尖头体头部通常形成附体激波，在钝头体前部常形成脱体激波。
正激波激波的波阵面与来流垂直。
超音速气流经正激波后，速度突跃式地变为亚音速，经过激波的流速指向不变。
弓形激波的中间一段是正激波。
此外，在超音速的管道流动中也可以出现正激波。
斜激波波阵面与来流不垂直。
曲线激波中除中间一小段是正激波外,其余部分都是斜激波,与正激波相比，气流经过斜激波时变化较小，或者说斜激波比正激波为弱。
此外，气流经过斜激波时指向必然突然折转。
因而有两个角度，一个是波阵面与来流指向之间的夹角，或称激波斜角β,另一个是波后气流折离原指向的折转角δ。
β角越大,激波越强。
β角小到等于马赫角时，激波就减弱到变成微弱扰动波或马赫波了。
斜激波超音速飞机的翼剖面一般采用尖的前后缘,如图b，这时头部出现斜激波。
斜激波后的压强升高量比正激波为小,机翼受到的波阻力小。
后缘处也有激波,那是因为上下翼面流来的气流要在后缘处汇合，两方面来的气流都折转指向才能汇合成一个共同的指向，斜激波正是超音速气流折转指向的一种形式。
正激波斜激波其他形式激波依附于物体表面的称附体激波，不依附于物体表面的称离体激波，圆锥形物体在超音速运动中产生的附体激波又称圆锥激波。
超声速的原理与应用
超声速的原理与应用1. 超声速的基本概念超声速是指物体运动的速度超过声速的状态。
声速是指声波在介质中传播的速度，取决于介质的密度和弹性模数等因素。
一般情况下，声速在340米/秒左右。
当物体以超过声速的速度运动时，就会产生超声速效应。
2. 超声速的物理原理超声速的产生是由于物体运动过程中产生的不规则的气动力，以及声音在超声速流场中的变化。
当物体接近声速时，流体绝热压缩，密度和压力都会发生变化，产生激波和压缩波。
这些波在物体周围形成压力极其低和高的区域，造成了马赫数增加。
当马赫数大于1时，就达到了超声速的状态。
3. 超声速的应用领域超声速技术在空气动力学、航空航天、武器装备等领域有着广泛的应用。
•航空航天领域：超声速飞行器的设计和制造是航空航天领域的重要研究方向之一。
超音速飞机的研发可以有效提高飞行速度和机动性能，带来更高效的空中运输和军事作战能力。
•空气动力学领域：超声速气动力学研究是改善飞行器性能和控制的重要途径。
超音速空气动力学问题的研究可以提高飞机的升力和机动性能，改善旅客舒适度和降低噪音。
•武器装备领域：超声速导弹和超声速战斗机在战争中具有重要的作用。
超音速导弹的高速和机动性能使其成为攻击目标时很难被拦截的威胁，超音速战斗机的速度和机动性能使其成为战斗中的制空权的关键因素。
4. 超声速技术的挑战与发展虽然超声速技术在很多领域具有重要应用，但是它也面临着一些挑战。
•空气动力学挑战：超声速飞行器在高速飞行时会遇到庞大的阻力和剧烈的气动力变化，需要采取合适的设计和控制方法来解决这些问题。
•材料挑战：超声速飞行器需要使用高温和高压环境下能够稳定工作的材料，这对材料的研发提出了更高要求。
•能源挑战：超声速飞行器所需的能量较大，需要采用高效的动力系统和能源管理方法来满足需求。
随着科学技术的不断发展，超声速技术在未来仍有很大的发展空间。
通过解决技术挑战和不断创新，超声速技术将进一步推动航空航天和其他领域的发展。
超音速 原理
超音速原理
超音速（supersonic）是指速度超过音速的现象或状态。
音速
是声音在介质中传播时的最大速度，通常在空气中为每秒约343米，取决于温度和湿度等条件。
超音速速度一般指的是超
过音速的高速运动状态。
超音速飞行的原理涉及到气体动力学和压缩流体力学等领域的知识。
当一物体以超过音速的速度运动时，形成的压力波会沿着其运动方向进行传播，形成一个类似于锥形的压力波，被称为激波（shock wave）。
在超音速流动中，流体的速度超过了声速，所以流动现场会体现出压缩、加热和流动相互作用等非常规特性。
流体在超声速流动时，通过激波的传播和迭代，使的气体受到压缩，增加了密度。
因为超音速流动中流体数学性质和力学性质都有较大的变化，它与亚音速流动实在本质上有区别的。
根据超音速原理，超音速飞行有一些特点。
第一，超音速飞行速度非常高，可以更快地到达目的地。
第二，超音速飞行具有更高的能量效率，因为飞行器可以更有效地利用气流动力学效应。
然而，超音速飞行也有一些挑战，如产生的激波会导致空气和声波的剧烈扰动，形成巨大的气动阻力和噪音。
因此，超音速飞行仍然面临诸多技术和工程上的难题。
总之，超音速飞行是以超过音速的速度进行的高速运动，它的原理涉及到气体动力学和压缩流体力学等学科。
超音速飞行虽然具有许多优点，但也存在一些挑战，需要进一步研究和发展。
第三章_激波.
于是
2 a* 2 = 2 a0 k 1
对于正激波， 90 ，V1n V1，V2n V2 ，上式可以写成
2 k 1 2 a1 V2 V1 k 1 k 1V2 1
3.2 激波前后气流参数关系
两边同时乘以V1，得
a12 k -1 2 2 2 2(k -1) V12 V2V1 = V1 a1 ( ) k 1 k 1 k 1 2 k 1 由能量方程知
3.2 激波前后气流参数关系
对于正激波， 90 ，上式成为
1 k 1 2 1 2 k 1 k 1 M12
3.波前波后压强关系式
用p1除以式(c)的两边，并代入1V1n 2V2n，得
1V1n V2 n p2 1 1 p1 p1 V1n
当 M1 sin 1时，此时为马赫波，由上式可得 p02 / p01 1， 即总压没有变化。随着 M1 sin 的增大，总压比减小。当 M1 sin 时，p02 / p01 0 。
3.2 激波前后气流参数关系
对于正激波， 90 得
1 k p02 2k k 1 k 1 2 1 ( M12 ) k 1 ( ) k 1 2 p01 k 1 k 1 k 1 k 1 M1
2 2 2 a0 a* V1 a* k -1 cos2 k -1 V2n V1 ( 2 2 cos2 ) V1 sin k 1 sin sin a0 V1 k 1
3.2 激波前后气流参数关系
由于
2 2 a0 a0 1 k 1 2 = (1 M1 ) 2 2 2 2 V1 a1 M1 M1 2
p2 2k k 1 2 M1 p1 k 1 k 1
激波产生的机理
激波产生的机理激波产生的机理激波是一种高速气体流动中的压力波，它是由于气体在高速运动时受到阻力而产生的。
激波在许多领域都有应用，比如医学、航空航天、汽车工业等。
了解激波产生的机理对于应用和研究都非常重要。
1. 气体流动基础知识在了解激波产生的机理之前，需要先了解一些气体流动的基础知识。
气体流动可以分为亚音速流动、音速流动和超音速流动三种情况。
亚音速流动是指气体在低于声速时的流动状态；音速流动是指气体在声速时的状态；超音速流动是指气体在高于声速时的状态。
当气体从一个截面进入到另一个截面时，如果截面之间存在压力差，则会发生气体加速或减速，从而形成压力波。
2. 激波产生原理当一个物体以超过声速（即超音速）移动时，它所处的区域内会形成一定程度上的真空，并且会形成一个震荡区域。
这个震荡区域就是激波。
激波的产生可以分为两种情况：一种是物体在静止的气体中运动，另一种是气体在高速运动时受到阻力。
在第一种情况下，当物体以超过声速的速度向前移动时，在物体前方形成一个压缩区域，而在物体后方形成一个稀薄区域。
这个压缩区域就是激波。
在第二种情况下，当气体流经一个狭窄的通道或者经过一个弯曲的管道时，会形成局部的高速流动。
当这个高速流动受到阻力时，就会形成一个压缩区域和一个稀薄区域，从而产生激波。
3. 激波传播特性激波具有很强的能量和破坏力。
它可以穿透固体和液体，并且能够使物质发生变形、断裂或燃烧等现象。
因此，在应用中需要对激波进行控制和调节。
激波传播的特性与其产生机理密切相关。
当气体流经一个截面时，如果截面之间存在压力差，则会产生压力波。
这个压力波可以通过气体传播，形成激波。
激波的传播速度与气体的性质、温度、压力等因素有关。
当气体的温度和压力变化很小时，激波的传播速度接近于声速。
当气体的温度和压力变化很大时，激波的传播速度可以高于声速。
4. 激波应用激波在许多领域都有应用。
比如，在医学领域中，激波可以用于碎石治疗肾结石、胆结石等疾病；在航空航天领域中，激波可以用于飞机和导弹的空气动力学试验；在汽车工业中，激波可以用于发动机喷油系统、排放系统等方面。
超音速流体力学
超音速流体力学超音速流体力学是研究在超音速条件下流体运动行为和力学性质的学科。
超音速是指流动速度大于声速（即大于330m/s），在这种流动条件下，流体的行为和性质会出现许多特殊的现象和问题。
一、超音速流动特性在超音速流动中，流体会经历压缩与膨胀的交替过程，产生伴随流和激波等现象。
激波是声波传播过程中出现的一种特殊现象，它是由于流体速度突然变化导致的压力和密度的变化。
激波会引起流体的剧烈振动，形成一系列的压缩区和膨胀区，对流体的运动产生显著影响。
二、超音速流体的主要性质1. 压缩性：超音速流动中，由于流体速度迅速增大，流体的密度、压力等物理量也会相应地发生变化。
压缩性是超音速流体力学的一个重要特性，它会对流动的稳定性和传播性产生影响。
2. 激波现象：超音速流体中的激波是一种激波前后流动状态发生突变的现象。
超音速激波可以分为正激波和负激波。
正激波是指在高压区向低压区传播的激波，负激波则相反。
激波现象对超音速流动的传播和控制具有重要意义。
3. 定常和非定常流动：超音速流体运动可以分为定常和非定常流动。
定常流动是指流动参数（如速度、压力等）随时间不变的流动，非定常流动则相反。
超音速流动中的非定常现象会导致流体的不稳定和波动性增加。
三、超音速流体力学应用超音速流体力学在航空航天、汽车工程等领域有着广泛的应用价值。
以下是几个典型的应用案例：1. 超音速飞行器设计：超音速流体力学的研究对于超音速飞行器的设计和性能提升至关重要。
通过研究超音速流体力学，可以优化飞行器的气动外形、减小阻力和气动加热等问题。
2. 超音速空气动力学研究：超音速流体力学对于理解和预测超音速流场中运动体的力学特性具有重要意义。
通过模拟和实验研究，可以获取超音速空气动力学的关键参数和特性，为超音速航空器的设计和控制提供依据。
3. 超音速燃烧流动：超音速燃烧流动是超音速流体力学研究的热点领域之一。
燃气发动机等超音速燃烧系统中，超音速流动与燃烧相互作用，对燃烧效率和性能产生重要影响。
超音速流动中的气体动力学研究
超音速流动中的气体动力学研究一直是航空航天领域的重要研究方向之一。
随着技术的不断进步和需求的不断增加，对超音速流动的研究也日益深入。
本文将从气体动力学的角度探讨超音速流动的相关问题。
一、超音速流动的概念超音速流动是指气体在超过声速（340m/s）的情况下进行的流动。
在该流动中，气体的速度远大于声速，因此会产生一系列特殊的物理现象。
这些现象包括激波、切向激波、激波互相干涉和衍射等。
超音速流动主要用于航空航天领域，包括火箭发动机、高超声速飞行器、导弹等。
在设计这些设备的时候，需要对超音速流动进行深入研究，以确保设备能够在高速流动中保持稳定性和安全性。
二、超音速流动的基础理论气体动力学是研究气体流动的力学学科，其基础理论包括欧拉方程、纳维-斯托克斯方程等。
然而，在超音速流动中，由于气体速度远大于声速，压力、密度和温度等物理量会发生很大的变化，因此需要使用更为精确的方程。
跟声速比相比，马赫数（Ma）是更为常用的描述超音速流动的参数。
马赫数是气体流动速度与当地声速的比值，其大小决定了流动中的各种物理现象。
在超音速流动中，马赫数大于1，即Ma>1，因此被称为超音速流动。
超音速流动的基础理论中还包括了激波的研究。
激波是由于速度不连续性引起的物理现象，通常用来描述马赫数高于1的气流中的变化。
由于激波会带来气体压力和温度的变化，因此超音速流动中的激波问题成为了研究的重点。
三、超音速流动的数值模拟随着计算机技术的不断发展，超音速流动的数值模拟成为了研究该领域的重要手段之一。
数值模拟可以帮助研究人员更为精确地模拟和预测超音速流动中的各种现象，从而优化设计和预测设备的性能。
超音速流动的数值模拟需要使用计算流体力学（CFD）方法。
CFD是一种利用计算机模拟流体运动的工具，可以通过数值计算来描述流体的运动状态、流场特征和各种现象。
在超音速流动中，CFD可以帮助研究人员模拟超音速流动的激波、切向激波、衍射等现象，以及流动中的各种参数变化。
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超音速流与激波的物理原理及其应用随着科技的进步，我们对于飞行器速度的需求越来越高，如何
让飞行器飞行更快、更远以及更高，就成为了人们极为关心的问题。
而在这个问题的解决中，超音速技术便应运而生。
超音速是指物体飞行速度大于音速的状态，而音速就是空气中
声音传播的速度，约为每秒340米。
在空气中高速飞行时，速度
接近音速，空气就会出现瞬间压力减小、速度增加的现象，形成
激波。
当速度大于音速时，激波就变成了一个不断随着物体向前
传播的锐利前缘。
以飞机为例，当它以大于音速的速度飞行时，空气流过飞机翼
面时会受到压力变化而形成激波，这些激波会向远离飞机的方向
传播并造成空气的扰动。
激波的产生使得在物体周围的空气中形
成高压区和低压区，压力的分布往往呈震荡状，这也称为激波流。
超音速流的物理原理，就在于控制这些激波的产生、传播和相
互作用，以便最大限度地减少它们所产生的空气阻力和噪音，从
而达到提高飞行速度的目的。
在超音速飞行中，激波对于飞行器的影响非常重要。
飞行器在
高速通过空气时会产生大量激波，它们会叠加在一起，形成更强
的激波，并传向远处。
这些激波所产生的压力波会大大增加飞行
器的空气阻力和噪音，同时也会影响飞行器的稳定性与控制。
为了尽量减少这种影响，飞行器的设计师们采用了许多工艺来
控制激波的产生与传播。
其中一个比较常见的做法是采用超声速
流动的身体外形，让激波从飞机的前部经过，推到飞机后部，在
飞机尾部形成更加柔和的排气状态。
这样可以降低空气阻力和噪音，并提高飞行器的速度和效率。
除此之外，超音速流技术还应用于医学、化学、材料科学和环
境科学等多个领域。
例如，在医学方面，我们通常所说的超声波，就是运用超音速流动技术来产生的高频机械波，已经广泛应用于
体内各部位的诊断和治疗。
在化学、材料科学和环境科学等领域中，超音速流动技术可以用来研究大气层中的化学反应、金属的
熔化和凝固等过程，同时也可以用来清洗污染物排放源以及代替
传统化学分离和分析方法等。
总之，超音速流与激波的物理原理及其应用已经深刻影响了我
们的生产和生活各个方面，并为我们带来了更多的便利和创新机
会。
但是其技术的发展依然面临着很多挑战和困难，我们还需要进一步深入研究和探索，以便能更好地利用这种技术为我们的生产和生活创造更多的价值。