氣體、液體和固體介質中應力(或壓強)、密度和溫度在波陣面上發生突躍變化的壓縮波,又稱衝擊波。在超聲速流動、爆炸等過程中都會出現激波。爆炸時形成的激波又稱爆炸波。水管中閥門突然關閉形成的波也是一種激波。在固體介質中,強烈的衝擊作用會形成激波(見固體中的激波),在等離子體中也會形成激波。以下僅介紹氣體中的激波。

  激波的形成 激波可視為由無窮多的微弱壓縮波疊加而成。數學傢B.黎曼曼在分析管道中氣體非定常運動時發現,原來連續的流動有可能形成不連續的間斷面。圖1說明管道內非定常流動中激波的形成過程。在管的左端用活塞向右推動氣體,使氣體運動速度由零逐漸加大到vB,產生一系列向右傳播的壓縮波。在t1瞬間,AB面之間為壓縮區,圖上方表示t1瞬間管內氣體速度分佈情況。下方的兩圖分別畫出沿管長x相應的壓強p和速度v的分佈。由AB,壓強由pA逐漸上升為pB,速度由零增大到vB。經微小厚度dx的一薄層,流體壓強升高dp,這是一道微弱的壓縮波,向右的傳播速度為氣體速度v和當地聲速(見聲速)之和。整個壓縮區AB中有無窮多道壓縮波,左面的波都比右面的傳播得快,隨著波的前傳,在以後的瞬間t2t3,壓縮區愈變愈窄。相應的壓強、速度分佈曲線如圖中虛線所示。最後在t4時刻,所有的壓縮波合在一起形成一道突躍的壓縮波──激波。經過激波,壓強突然由pA增大到pB,流速由零增大為vB。激波相對於波前氣體的傳播速度是超聲速的,激波愈強,傳播速度愈快;激波相對於波後氣的傳播速度是亞聲速的。定常超聲速氣流沿凹壁流動時也會形成激波。圖2為定常超聲速流動中壓縮波疊加成激波的圖形。

  利用光線經過密度不同的介質會發生偏轉的性質,可用光學方法對激波照相。用此原理攝下的超聲速飛行器周圍激波的照片(見彩圖)。

不同種類飛行器周圍的激波:超聲速飛機

  激波損失 在實際氣體中,激波是有厚度的。在隻考慮氣體粘性和熱傳導作用的條件下,由理論計算可知,激波的厚度很小,與氣體分子的平均自由程同數量級。對於標準狀況下的空氣,激波厚度約為10-5毫米。在空氣動力學中常把激波當作厚度為零的不連續面,稱為強間斷面。氣體經過激波時,速度和溫度都發生突躍變化,粘性和導熱作用很大。在氣體溫度很高,激波很強的情況下,甚至氣體的熱力學平衡狀態也會遭到破壞。這種破壞過程是不可逆過程,按熱力學第二定律,氣體的熵增加,同時有很大一部分機械能轉化為熱能,這就是所謂激波損失。在超聲速流動中,一般總會產生激波。對於作超聲速運動的飛行器,激波的出現會引起很大的阻力;對於超聲速風洞(見風洞)、進氣道和壓氣機等內流設備,在氣流由超聲速降為亞聲速時出現的激波,會降低風洞和發動機的效率。所以,減弱激波強度以減小激波損失是實際工作中的一項重要課題。

  正激波和斜激波 波面與波的運動方向或氣流方向垂直的激波稱為正激波,傾斜的稱為斜激波(圖3)。定常超聲速氣流穿過斜激波會折轉一個角度,使流動方向發生改變。一定馬赫數的超聲速氣流經斜激波可能折轉的角度有一個最大值。將一個尖楔置於超聲速氣流中,當楔面相對於氣流的傾斜角小於上述最大值時,就會產生附著在楔尖上的斜激波(圖3a)。若楔角超過此最大值,則會產生立在物體前面的弓形激波(圖3b,圖4為弓形激波的陰影照片),這種激波通常稱為離體激波;弓形激波的中間部分相當於正激波(圖3b中的AB段)。有關激波前後參量的變化見激波關系式。

  激波的應用 激波可使氣體壓強和溫度突然升高,因此,在氣體物理學中常利用激波來產生高溫和高壓,以研究氣體在高溫和高壓下的性質。利用固體中的激波,可使固體壓強達到幾百萬大氣壓(1 大氣壓等於101325帕),用以研究固體在超高壓下的狀態。這對解決地球物理學、天體物理學和其他科學領域內的問題有重要意義。

  

參考書目

 徐華舫著:《空氣動力學基礎》,下冊,國防工業出版社,北京,1980。