隔膜式激波管工作原理（1）

隔膜式激波管⼯作原理（1）
隔膜式激波管⼯作原理
在实验条件下，可⽤激波管产⽣强冲击波。

隔膜式激波管是其中的⼀种。

⽤这种装置，
可产⽣从⼏个以⾄⼏⼗个马赫数(简称M数,为波速度与声速之⽐,表超声速的倍数)的各种
强度的激波，适于⾼超声速飞⾏的激波过程研究。

隔膜式激波管有单级隔膜与多级隔膜之分。

这⾥限于介绍单级隔膜式激波管的⼯作原理。

图五(a)是隔膜式激波管结构⽰意图，它由⾼压⽓室和低压⽓室⼆部分组成，其间⽤隔膜隔开。

⼀般情况下，激波管的⾼压⽓室充以⼏个⽓压⾄⼏⼗个⽓压的纯氢或氦，在低压⽓室则
充以⼏个毫⽶汞柱或⼏⼗个毫⽶汞柱的被研究⽓体。

由于隔膜的两⽅⽓压悬殊很⼤，当⾼压⽓室中的⽓体压强上升⾄某⼀隐界值时，隔膜就⾃然的爆发式的破裂或者采⽤⼈⼯⽅法，使隔
膜在预定的⽓压下破裂。

隔膜破裂致使⾼压⽓室中的⽓体迅速冲向低压⽓室，恰似⼀个超声⽓
体“活塞”，推动低压⽓室中的被研究⽓体向前运动，形成在被研究⽓体中传播的正激波，这
⾥，⾼压⽓体作等熵膨胀，对激波的形成主要起到超声“⽓体活塞”的推动作⽤。

如果激波管
长度为⽆限长，在低压⽓室中传播的正激波将沿管道以恒定速度传播下去。

实际情况并⾮如此，由于边界层和粘滞效应的影响，在管中传播的正激波，不可能保持恒速，且激波后被加热⽓体层的厚度也不会随着激波通过的距离⽽⽆限增加。

激波管的最佳长度，对不同研究⽬的和激波强度范围，必须预先予以确定。

在有限长度的激波管中，激波的传播受到边界条件(激波管的端⾯)的限制。

当激波传播⾄低压⽓室的端⾯时产⽣反射，形成反射波，如图5、(b)。

在反射波中，⽓体受到更为有效的
加热。

⼀般⽽⾔，激波反射区域内，⽓体的温度⽐正激波后⾯的⽓体温度可⾼出⼀倍多，许多难于激发的谱线，可以在此区域内激发出来。

另⼀⽅⾯，在正激波沿低压⽓体传播的同时，沿⾼压⽓室有⼀稀疏波传播，稀疏波通过以后，⾼压⽓室中的⽓体温度瞬时下降，出现短暂时间的冷冻现象；稀疏波传播⾄⽓室的端⾯时也会产⽣反射。

径向稀疏波的出现，对激波的传播可能发⽣⼲扰，这就要求对激波管的长度⽐,即⾼压⽓室与低压⽓室长度进⾏优化设计，⽅能保证正激波和反射波的稳定传播。

⽂献［］给出了相关的定量计算⽅法，可作激波管设计的参考。

图5、是激波管中的激波和稀疏波传播情况及管中瞬间压强，温度分布曲线。

其中，图5、(b)是(x.t)图。

图中记有“１”处，表激波尚未达到的静⽌⽓体区域；“２”表激波波阵⾯与接触⾯（“⽓体活塞”与激波后⾯被加热的调温⽓体的分界⾯）之间的⾼温⽓体区；“５”是激波反射区；“３”是激波通过后的伴随流动⽓体区（即“⽓体活塞”）；“６”稀疏波；“４”是静⽌⾼压⽓体区。

如果激波管隔膜在t0 时刻破裂，则经⼀定时刻⾄t1 时由（x.t）图可得出激波和接触⾯所达到的位置，它们分别在x1和x2处。

图5、激波管中压强、温度分布曲线(略)。