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。
超音速燃烧原理
超音速燃烧原理1. 引言超音速燃烧是指在超过声速的条件下进行的燃烧过程。
与亚音速或亚声速燃烧相比，超音速燃烧具有更高的效率和更广泛的应用领域。
本文将详细解释与超音速燃烧原理相关的基本原理。
2. 超音速流动超音速流动是指流体在超过声速（即马赫数大于1）的条件下运动。
在超音速流动中，存在着激波现象，即一系列由于流体通过一个孔径或几何形状变化引起的压力波。
这些激波会导致压力和密度的突然变化，从而影响到流动性质。
3. 燃气发动机中的超音速流动在航空航天领域中，最常见的应用超音速流动的设备是喷气式发动机。
喷气式发动机利用可压缩介质（通常为空气）在内部进行循环，并通过喷射高温高压气体产生推力。
3.1 喷气式发动机结构喷气式发动机主要由压气机、燃烧室和涡轮组成。
压气机负责将外界空气压缩，提高其密度和温度；燃烧室将压缩后的空气与燃料混合并点燃，产生高温高压气体；涡轮则通过从高温高压气体中提取能量来驱动压气机。
3.2 超音速燃烧过程在喷气式发动机中，超音速流动对于实现高效的燃烧过程至关重要。
以下是超音速燃烧过程的基本原理：1.进口流道收敛：在喷气式发动机的进口部分，通常会设计一个收敛型流道来加速进入的空气。
这种收敛流道可以将空气加速到超音速，并形成一个激波。
2.激波系统：在进口流道之后，会设置一系列激波系统来引导和调节超音速流动。
这些激波系统包括进口激波、静子/转子、出口激波等。
它们的作用是通过控制激波生成和传播的方式来改变流道的几何形状，以便实现最佳的流动特性。
3.燃烧室设计：在超音速燃烧室中，需要考虑到高温高压气体的稳定性和混合效果。
为了实现良好的混合和点火条件，通常会使用多级喷嘴和预混合技术。
4.燃料燃烧：在超音速流动中，燃料的点火和燃烧过程也具有一定的特殊性。
由于流动速度较高，需要确保点火源能够迅速传播并维持稳定的燃烧。
同时，由于超音速流动的高温高压环境，还需要考虑到气体化和化学反应对于能量释放和传输的影响。
飞行速度范围—高速气流特性和激波、膨胀波
正激波和斜激波 β
β
β 90 β 90
正激波 斜激波
正激波的波阻大，空气 被压缩很厉害，激波后 的空气压强、温度和密 度急剧上升，气流通过 时，空气微团受到的阻 滞强烈，速度大大降低， 动能消耗很大，这表明 产生的波阻很大。
斜激波波阻较小，倾斜 的越厉害，波阻就越小。
3.气流通过正激波后,压力、密度和温度都突然升高,且流速()
1.飞机飞行时对周围大气产生的扰动情况是( )
A.扰动产生的波面是以扰动源为中心的同心圆。 B.产生的小扰动以音速向外传播。 C.只有马赫锥内的空气才会受到扰动。
D.如果不考虑扰动波的衰减,只要时间足够长周围的空气都会受到扰动。
答案：B
超音速气流经过凹曲面的情况
激波
激波是气流以超音速流过带有内折角物体表面时， 受到强烈压缩而形成的强扰动波
声速的定义 小扰动在空气中的传播速度
空气压缩性与音速a的关系
音速大小唯一取决于空气的温度 温度越低，空气越易压缩，音速越小。
a ΔP Δρ
a 20.1 t 273 米/秒
2 马赫数M
M
a
马赫数M是真速与音速之比。
M数越大，空气被压缩得越厉害。
低速飞行(马赫数M<0.3) 可忽略压缩性的影响
由压力变化带来的密度变化小于5%，从工程角度来 看，对结果影响小于5%的因素可以被忽略。
高速飞行(马赫数M>0.3) 必须考虑空气压缩性的影响
二、高速飞行中，空气状态参数的变化
速度增加时，压力、密度、温度、声速都减小， Ma增加；部分压力能和内能转变为动能
速度减小时，压力、密度、温度、声速都增大， Ma减小；部分动能转换为压力能和内能
John Gay拍摄
超音速飞行工作原理
超音速飞行工作原理超音速飞行是指飞行器在飞行过程中速度超过声速（约为1235km/h）的飞行状态。
相比于次音速飞行，超音速飞行具有更高的速度和更复杂的工作原理。
本文将介绍超音速飞行的工作原理和相关技术。
一、超音速飞行的工作原理超音速飞行的工作原理基于流体力学和空气动力学的理论。
当飞机的速度接近或超过声速时，空气在机翼和飞机其他部位的流动行为会发生显著的变化。
以下是超音速飞行的主要工作原理：1. 前缘激波：在超音速飞行时，空气无法像次音速飞行状态下那样顺利地绕过物体。
当空气流过物体的前缘时，会形成激波。
这些激波以声速向外传播，带来压力和温度的剧烈变化。
2. 气动加热效应：当飞机速度超过声速时，摩擦和压缩带来的气动加热效应变得非常重要。
空气被压缩并通过飞机的内部通道，同时摩擦和压缩产生的热量需要通过冷却系统进行处理。
3. 拖曳减小：在超音速飞行中，减小阻力（即拖曳）是非常关键的。
流线型的设计、减小横截面积以及使用特殊材料和涂层都可以帮助减小阻力，提高飞机的速度。
4. 操作稳定性：超音速飞机在飞行过程中面临着更加复杂的飞行动力学问题。
设计师需要考虑飞机的稳定性和机动性，以确保飞行的安全和控制性。
二、超音速飞行的技术挑战超音速飞行的实现涉及到许多技术挑战，包括下列几个方面：1. 发动机技术：为了实现超音速飞行，需要具备强大的引擎推力。
超音速飞机通常采用涡喷发动机或超音速燃烧冲压发动机，以提供足够的动力。
2. 空气动力学设计：超音速飞机的机翼、机身和其他部件的设计必须经过精确计算和优化。
流线型设计、减小气动阻力以及减小横截面积都是关键因素。
3. 材料和结构：超音速飞机需要具备足够的强度和刚度，以应对高速飞行时的空气动力学力学负荷。
使用轻质高强度材料、先进的复合材料和设计合理的结构可以实现这一目标。
4. 温度和热量管理：超音速飞行过程中，由于摩擦和压缩产生的气动加热效应，飞机表面温度会显著升高。
对于超音速飞行器来说，需要设计冷却系统以管理温度，并确保飞行的安全性和稳定性。
超音速流动的基本规律
超音速流动的基本规律主要包括以下几个方面：波状流动：超音速流动中，流体微元的运动轨迹是以波状形式传播的，形成马赫波。
这些波状流动是超音速流动的基本特征之一。
压缩性效应：超音速流动中，由于流体的压缩性，流体的密度、压力和温度等参数都会发生变化。
这些参数的变化与流体的速度和状态有关，需要通过状态方程和热力学方程进行计算。
激波的产生：当超音速气流受到阻碍或拐弯时，会产生激波。
激波是气流速度突然变化的地方，伴随着压力的剧烈升高和温度的升高。
激波是超音速流动中常见的现象，对流动性能有重要影响。
粘性效应：超音速流动中，虽然流体的粘性相对于气体动量较小，但仍然存在一定的粘性效应。
粘性效应会影响流体的流动特性和损失，需要进行必要的计算和分析。
多相流特性：超音速流动中，可能存在多种流体介质，如气体、液体、固体等。
这些不同的介质之间可能存在相互作用和混合，形成多相流。
多相流特性对流动性能和传热传质等都有重要影响。
超音速流动的基本规律是进行超音速流动研究和设计的重要依据。
在研究和设计过程中，需要充分考虑这些规律对流动性能的影响，并进行相应的计算和分析。
两相流超音速流动、激波及其应用研究
u ,速度 ; A ,流道截面积 。以上方程结合流道尺寸 、相
变换热方程 ,可以求解沿流道速度 、压力和马赫数分
布。
作者分别对缩放流道和渐缩 - 等截面流道内 的饱和蒸汽与过冷水的两相流动进行了计算 。计算
表明 ,在缩放流道和渐缩 - 等截面流道中可能实现 跨音速流动 ,但是马赫数不高 , 流道尺寸 、流体参数 和相间热交换情况对能否实现从亚音速向超音速的
(1 - α) u2 ] b = pb - pα
(6)
能量守恒方程 :
[ρvαu ( hv +
u2 ) 2
+ ρl (1 -
α) u ( hl
+
u2) 2
]b=[ρvαu ( hv+u2 ) 2
+ ρl (1 -
α) u ( hl
+
u2 ) 2
]α
(7)
式中 ,下标 b , a 分别代表激波前后的参数 ,v ,l 分别
作者利用所建数学模型对两相流动和激波进行 了计算〔3〕,并与 Cattadori〔4〕的实验结果进行了比较 , 如图 9 和图 10 所示 。从图 9 可知 ,计算值与实验值吻 合较好 。图 10 为相应的速度 u 和马赫数 M 分布计算 结果 。
图 10 混合段的速度和马赫数分布
6 结论
(1) 两相流体的音速受可压缩性影响而呈现出 与单相流不同的特点 ,其值大大低于单相流体音速 值 。同时不可逆因素对音速的影响随频率的增加而 增加 ,在高频时需考虑导热 、粘性和相变对音速的影 响 ,在低频时应主要考虑相变对音速的影响 ;
·333 ·
图 3 缩放流道内的跨音速流动
图 2 与 Semeuoy 实验值的比较
激波简介
波阻
从机翼上压强分布的观点来看，波阻产生的情况大致 如下；根据对机翼所作的实验，在超音速飞行时，机翼上 的压强分布如图所示。在亚音速飞行情况下，机翼上只有 摩擦阻力、压差阻力和诱导阻力。它的压力分布如图中虚 线所示。对图中两种不同的飞行情况压强分布加以比较， 可以看出：在亚音速飞行情况下，最大稀薄度靠前，压强 分布沿着与飞行相反的方向上的合力，不是很大，即阻力 不是很大，其中包括翼型阻力和诱导阻力。
激波
定义： 超声速气流被压缩时，一般不能像超声速 气流膨胀时那样地连续变化，而往往以突跃压 缩的形式实现。我们把气流中产生的突跃式的 压缩波成为激波。
激波是一种强扰动波，是一种非线性传波波，他是超声速 气流中一个很重要的物理现象，它对流动阻力或流动损失很产 生很大的影响。气体通过激波时的压缩过程是在非常小的距离 内完成的，即激波的厚度非常小，理论计算和实际测量都表明， 在一般情况下，激波的厚度大约在10-6米左右，这个数量已经 与气体分子自由行程达到同一个数量级了。可以想象，在这样 小的距离并且在极短时间内气体完成一个显著的压缩过程，因 此这种变化中的每一个状态不可能是热力学平衡状态，即这种 状态必然是一种不可逆的耗散过程，应该说气体的粘性和热传 导对激波又十分重大的影响，而且激波内部的结构非常复杂。 但是从工程应用角度，可以把这一压缩过程所占的空间距离处 理为一个面，这面就是激波面，对于激波前后气流参数的变化 来讲它是个间断面。
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。
超音速飞行的力学与控制
超音速飞行的力学与控制超音速飞行是指飞行器在高于音速的速度下进行飞行。
与次音速和亚音速飞行相比，超音速飞行面临更多的挑战和限制。
在本文中，我们将探讨超音速飞行涉及到的力学和控制技术。
超音速飞行的力学在探讨超音速飞行的力学之前，我们先来看看声速究竟是什么。
声速是指声波在给定介质中传播的速度。
在常见的大气条件下，声速为340米/秒。
当物体的速度达到或超过这个值时，其运动状态就成为超音速。
超音速飞行的主要力学挑战在于气动力学。
由于随着速度的增加，飞行器所面临的气动力学压力会变得越来越大。
这种气动力学压力会导致以下三种主要流动现象：激波、膨胀波和迎风区风阻。
激波是一种冲击波，它是由于飞行器向高压区域冲过去时产生的。
激波是由于来自机翼上空气的流动速度超过了声速产生的。
它会导致高度压力、温度和阻力的剧烈波动。
膨胀波是爆震产生的。
当飞行器在高速飞行中，其尾部处的气压会变得很低。
这种低压会导致爆震飘移，从而产生膨胀波。
迎风区风阻是指气流在飞行器前方形成的气流区域。
这种气流区域会产生与飞行器移动方向相反的气流。
随着飞行器速度的提高，迎风区风阻也会增加。
超音速飞行的控制为了控制超音速飞行器的姿态和运动，需要使用高级飞行控制技术。
其中最基本的技术包括气动力学控制和结构控制。
气动力学控制技术通过带有活动舵面的飞行器来控制其姿态。
这些舵面可以通过控制信号进行调整，从而影响飞行器的飞行方向和速度。
此外，一些先进的气动力学控制技术还使用推力矢量控制，将喷气口旋转以向不同方向喷出推进剂。
结构控制技术主要涉及飞行器材料的选择和开发。
由于在超音速飞行情况下，飞行器所经历的气动力学压力非常大，因此必须使用耐高温和高强度的材料。
例如，钛合金、陶瓷和碳纤维等材料都适合用于制造超音速飞行器。
结论总之，超音速飞行的力学和控制技术是极其复杂和困难的。
目前，许多研究机构和国家正致力于推动超音速飞行技术的发展，从而开辟出更为广阔的航空和航天领域。
飞机产生激波的原理和方法
飞机产生激波的原理和方法
飞机产生激波的原理和方法可以概括为以下几点:
一、飞机速度达到音速
当飞机的飞行速度达到或超过音速,即每秒340米左右时,会产生激波。
此时会形成一个音障,音波无法传播至前方。
二、空气产生突压
音障前的空气会累积压力,空气Particles会因为压力突增而急速振荡,产生激波。
三、激波向外传播
这种压力的剧烈变化会以球面激波的形式向外以超音速传播,造成爆炸式的声音。
四、设计机头改变激波
改变飞机机头的设计,可以改变激波的传播方式,如锥头可以将激波聚集到一点。
五、增强飞机结构
要增强飞机的结构强度,使其可以承受激波造成的震动和热量。
外部涂层也需高温耐烧。
六、加力装置突破音障
为了使飞机突破音障达到超音速,需要使用加力装置提供额外的推力。
七、选择高海拔试飞
初期要选择在高海拔地区试飞,因为高空密度较小,较易达到超音速,产生激波。
八、记录解析飞行数据
通过高速相机和测量仪器记录飞行状态参数,解析激波产生的完整过程,提供设计改进依据。
九、计算机模拟
利用计算流体动力学软件进行数值模拟,优化飞机设计以获得最佳的激波效应。
物理学中的超音速流与震波研究
物理学中的超音速流与震波研究无论是在航空航天工程、能源开发还是军事防卫领域，对于流体力学的研究都是至关重要的。
而其中一个重要的研究方向就是超音速流与震波的研究。
通过对超音速流与震波的深入研究，我们可以更好地理解和掌握高速流体在不同环境下的行为，为相关领域的发展提供科学依据。
一、超音速流的特点与模拟超音速流是指流体在速度超过声速的条件下流动的现象。
相比于亚音速流动，超音速流动具有更为复杂的特点。
首先，超音速流动所形成的压力梯度比亚音速流动更为陡峭，这意味着超音速流动对构造物体表面的冲击力更大。
其次，超音速流动还存在着激波、压力波等现象，这些波动现象会对流动的稳定性和传输性能产生影响。
为了研究超音速流动，科学家们常常使用实验室模拟的方法。
他们通过制造高速风洞，在密闭的环境中加速气体流动的速度，从而实现对超音速流动的研究。
同时，他们还会使用激光干涉仪、压力传感器等高精度仪器，对流动的速度、压力等参数进行测量。
这些实验数据的获取，为我们深入理解超音速流动提供了重要的依据。
二、超音速流与航空航天工程在航空航天工程领域，超音速流动是一个重要的研究课题。
超音速飞机的设计和制造需要考虑到超音速流动的特性和不确定性。
首先，超音速飞行过程中会产生巨大的阻力和冲击波，这对飞机的结构和稳定性提出了更高的要求。
其次，超音速飞行还会产生剧烈的湍流和振动，对发动机和机身的耐久性和可靠性也提出了更高的要求。
为了解决这些问题，科学家们通过对超音速流动的研究，制定了一系列的飞行原则和设计标准。
他们利用数值模拟和实验模拟的方法，通过调整机翼形状、减小飞机的气动阻力、改良发动机的设计等手段，提高超音速飞机的性能。
同时，他们还研究了超音速湍流的控制方法，减小流体的阻力和振动，提高超音速飞机的航行稳定性。
三、超音速流与能源开发除了航空航天工程，超音速流动还在能源开发领域发挥着重要的作用。
在火力发电厂和核能发电厂中，蒸汽的流动是产生动力的重要环节。
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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。