Sjokkbølge - Shock wave

Schlieren-fotografi av et festet sjokk på en skarpnettet supersonisk kropp
USS Iowa skyter en bredside under treningsøvelser i Puerto Rico, 1984. Sirkulære merker er synlige der de ekspanderende sfæriske atmosfæriske sjokkbølgene fra pistolskytingen møter vannoverflaten.

I fysikken er en sjokkbølge (også stavet sjokkbølge ), eller sjokk , en form for forplantningsforstyrrelse som beveger seg raskere enn den lokale lydhastigheten i mediet. Som en vanlig bølge bærer en sjokkbølge energi og kan forplante seg gjennom et medium, men er preget av en brå, nesten diskontinuerlig endring i trykk , temperatur og tetthet av mediet.

For sammenligningsformål kan det i supersoniske strømmer oppnås ytterligere økt ekspansjon gjennom en ekspansjonsvifte , også kjent som en Prandtl - Meyer ekspansjonsvifte . Den medfølgende ekspansjonsbølgen kan nærme seg og til slutt kollidere og rekombinere med sjokkbølgen, og skape en prosess med ødeleggende forstyrrelser. Den lydbommen som er forbundet med passasjen til et supersonisk fly er en type lydbølge produsert av konstruktiv forstyrrelse.

I motsetning til solitons (en annen type ikke -lineær bølge), forsvinner energien og hastigheten til en sjokkbølge alene relativt raskt med avstand. Når en sjokkbølge passerer gjennom materie, bevares energi, men entropien øker. Denne endringen i stoffets egenskaper manifesterer seg som en reduksjon i energien som kan utvinnes som arbeid, og som en dragkraft på supersoniske objekter ; sjokkbølger er sterkt irreversible prosesser .

Terminologi

Sjokkbølger kan være:

Vanlig
90 ° (vinkelrett) på sjokkmediets strømningsretning.
Skrå
På skrå mot strømningsretningen.
Bue
Forekommer oppstrøms foran ( sløyfe ) på et sløvt objekt når oppstrøms strømningshastighet overstiger Mach 1.

Noen andre begreper:

  • Sjokkfront: Grensen som de fysiske forholdene gjennomgår en brå endring på grunn av en sjokkbølge.
  • Kontaktfront: I en sjokkbølge forårsaket av en drivergass (for eksempel "innvirkning" av et høyt eksplosiv på luften rundt), grensen mellom driveren (eksplosive produkter) og de drevne (luft) gassene. Kontaktfronten sporer støtfronten.

I supersoniske strømmer

Trykk-tid-diagram på et eksternt observasjonspunkt for tilfellet av et supersonisk objekt som formerer seg forbi observatøren. Forkant av objektet forårsaker et støt (venstre, i rødt) og bakkanten av objektet forårsaker en ekspansjon (høyre, i blått).
Konisk sjokkbølge med sin hyperbola-formede jordkontaktsone i gult

Den brå endringen i egenskapene til mediet, som kjennetegner sjokkbølger, kan sees på som en faseovergang : trykk-tid-diagrammet til et supersonisk objekt som formerer seg viser hvordan overgangen indusert av en sjokkbølge er analog med en dynamisk faseovergang .

Når et objekt (eller forstyrrelse) beveger seg raskere enn informasjonen kan spre seg inn i væsken rundt, kan ikke væsken i nærheten av forstyrrelsen reagere eller "komme ut av veien" før forstyrrelsen kommer. I en sjokkbølge endres egenskapene til væsken ( tetthet , trykk , temperatur , strømningshastighet , Mach -nummer ) nesten øyeblikkelig. Målinger av tykkelsen på sjokkbølger i luft har resultert i verdier rundt 200 nm (omtrent 10 −5 tommer ), som er i samme størrelsesorden som den gjennomsnittlige frie banen til gassmolekyler. Med henvisning til kontinuum, innebærer dette at sjokkbølgen kan behandles som enten en linje eller et plan hvis strømningsfeltet er henholdsvis todimensjonalt eller tredimensjonalt.

Sjokkbølger dannes når en trykkfront beveger seg med supersonisk hastighet og skyver på den omkringliggende luften. I området der dette skjer, når lydbølger som beveger seg mot strømmen et punkt der de ikke kan bevege seg lenger oppstrøms og trykket gradvis bygger seg opp i dette området; en høytrykks sjokkbølge dannes raskt.

Sjokkbølger er ikke konvensjonelle lydbølger; en sjokkbølge har form av en veldig skarp endring i gassegenskapene. Sjokkbølger i luften høres som en høy "sprekk" eller "snapp" -støy. Over lengre avstander kan en sjokkbølge endres fra en ikke -lineær bølge til en lineær bølge, som degenererer til en konvensjonell lydbølge når den varmer luften og mister energi. Lydbølgen blir hørt som den kjente "dunken" eller "dunken" til en lydbom , vanligvis skapt av flyet med supersonisk flyging.

Sjokkbølgen er en av flere forskjellige måter en gass i en supersonisk strøm kan komprimeres på. Noen andre metoder er isentropiske kompresjoner, inkludert Prandtls -Meyer kompresjoner. Metoden for komprimering av en gass resulterer i forskjellige temperaturer og tettheter for et gitt trykkforhold som kan beregnes analytisk for en ikke-reagerende gass. En sjokkbølgekomprimering resulterer i tap av totalt trykk, noe som betyr at det er en mindre effektiv metode for å komprimere gasser for noen formål, for eksempel ved inntak av en scramjet . Utseendet til trykk-drag på supersoniske fly skyldes hovedsakelig effekten av sjokkkomprimering på flyten.

Normale støt

I elementær væskemekanikk som bruker ideelle gasser, blir en sjokkbølge behandlet som en diskontinuitet der entropi øker over en nesten uendelig liten region. Siden ingen væskestrøm er diskontinuerlig, etableres et kontrollvolum rundt sjokkbølgen, med kontrollflatene som binder dette volumet parallelt med sjokkbølgen (med en overflate på førsjokk-siden av væskemediet og en på post- sjokk side). De to overflatene er atskilt med en veldig liten dybde slik at sjokket i seg selv er helt inne mellom dem. På slike kontrollflater er momentum, massefluks og energi konstant; innen forbrenning kan detonasjoner modelleres som varmeinnføring over en sjokkbølge. Det antas at systemet er adiabatisk (ingen varme kommer ut eller kommer inn i systemet) og det utføres ikke noe arbeid. De Rankine-Hugoniot tilstander oppstå fra disse betraktninger.

Tatt i betraktning de etablerte forutsetningene, i et system der nedstrømsegenskapene blir subsoniske: oppstrøms og nedstrøms strømningsegenskaper for væsken regnes som isentropisk . Siden den totale energimengden i systemet er konstant, forblir stagnasjonsentalpien konstant over begge regionene. Selv om entropi øker; Dette må forklares med et fall i stagnasjonstrykket i nedstrømsvæsken.

Andre sjokk

Skrå støt

Ved analyse av sjokkbølger i et strømningsfelt, som fremdeles er festet til kroppen, kalles sjokkbølgen som avviker i en vilkårlig vinkel fra strømningsretningen skrått sjokk . Disse sjokkene krever en komponentvektoranalyse av strømmen; Dette gjør det mulig å behandle strømningen i en ortogonal retning til det skrå sjokket som et normalt sjokk.

Buestøt

Når det er sannsynlig at et skrått støt dannes i en vinkel som ikke kan forbli på overflaten, oppstår et ikke -lineært fenomen der sjokkbølgen vil danne et kontinuerlig mønster rundt kroppen. Disse kalles buesjokk . I disse tilfellene er 1d -strømningsmodellen ikke gyldig, og ytterligere analyse er nødvendig for å forutsi trykkreftene som utøves på overflaten.

Sjokkbølger på grunn av ikke -lineær brenning

Støtbølger kan dannes på grunn av steiling av vanlige bølger. Det mest kjente eksemplet på dette fenomenet er havbølger som danner bryterekysten . På grunt vann er hastigheten på overflatebølger avhengig av dybden på vannet. En innkommende havbølge har en litt høyere bølgehastighet nær toppen av hver bølge enn nær bunnene mellom bølgene, fordi bølgehøyden ikke er uendelig liten i forhold til dybden på vannet. Toppene overtar trauene til forkant av bølgen danner et vertikalt ansikt og søl over for å danne et turbulent sjokk (en bryter) som spreder bølgens energi som lyd og varme.

Lignende fenomener påvirker sterke lydbølger i gass eller plasma, på grunn av avhengigheten av lydhastighetentemperatur og trykk . Sterke bølger varmer mediet nær hver trykkfront på grunn av adiabatisk komprimering av selve luften, slik at høytrykksfronter overgår de tilsvarende trykkrennene. Det er en teori om at lydtrykksnivåene i messinginstrumenter som trombonen blir høye nok til at brattere oppstår, og utgjør en vesentlig del av instrumentets lyse klang. Mens støtdannelse ved denne fremgangsmåten normalt ikke skje med unenclosed lydbølger i jordatmosfæren, er det antatt å være en mekanisme ved hjelp av hvilken den solenergi kromosfære og korona oppvarmes, via bølger som forplanter seg opp fra solenergi indre.

Analogier

En sjokkbølge kan beskrives som det lengste punktet oppstrøms et objekt i bevegelse som "vet" om objektets tilnærming. I denne beskrivelsen er sjokkbølgeposisjonen definert som grensen mellom sonen som ikke har informasjon om sjokkdrivende hendelse og sonen som er klar over sjokkdrivende hendelse, analogt med lyskeglen beskrevet i teorien om spesiell relativitetsteori .

For å produsere en sjokkbølge må et objekt i et gitt medium (for eksempel luft eller vann) bevege seg raskere enn den lokale lydhastigheten. Når det gjelder et fly som reiser med høy subsonisk hastighet, kan luftområder rundt flyet bevege seg med nøyaktig lydens hastighet, slik at lydbølgene som forlater flyet hoper seg opp på hverandre, i likhet med et trafikkork på en motorvei . Når en sjokkbølge dannes, øker det lokale lufttrykket og sprer seg deretter ut sidelengs. På grunn av denne forsterkningseffekten kan en sjokkbølge være veldig intens, mer som en eksplosjon når den høres på avstand (ikke tilfeldig, siden eksplosjoner skaper sjokkbølger).

Analoge fenomener er kjent utenfor væskemekanikk. For eksempel skaper partikler akselerert utover lysets hastighet i et brytningsmedium (der lysets hastighet er mindre enn i et vakuum , for eksempel vann ) synlige sjokkeffekter, et fenomen kjent som Cherenkov -stråling .

Fenomentyper

Nedenfor er en rekke eksempler på sjokkbølger, stort sett gruppert med lignende sjokkfenomener:

Sjokkbølge forplanter seg til et stasjonært medium, foran ildkulen til en eksplosjon. Sjokket blir synliggjort av skyggeeffekten (treenighetseksplosjon)

Bevegelig sjokk

  • Består vanligvis av en sjokkbølge som forplanter seg til et stasjonært medium
  • I dette tilfellet er gassen foran sjokket stasjonær (i laboratorierammen) og gassen bak sjokket kan være supersonisk i laboratorierammen. Sjokket forplanter seg med en bølgefront som er normal (i rette vinkler) til strømningsretningen. Sjokkens hastighet er en funksjon av det opprinnelige trykkforholdet mellom de to gasslegemene.
  • Bevegelige sjokk genereres vanligvis ved samspill mellom to gasslegemer ved forskjellig trykk, med en sjokkbølge som forplanter seg til gassen med lavere trykk og en ekspansjonsbølge som forplanter seg til gassen med høyere trykk.
  • Eksempler: ballong sprengning, sjokkrør , sjokkbølgen fra eksplosjonen .

Detonasjonsbølge

  • En detonasjonsbølge er i hovedsak et sjokk støttet av en etterfølgende eksoterm reaksjon . Det innebærer en bølge som beveger seg gjennom et svært brennbart eller kjemisk ustabilt medium, for eksempel en oksygen-metanblanding eller et høyt eksplosiv . Den kjemiske reaksjonen til mediet skjer etter sjokkbølgen, og den kjemiske energien til reaksjonen driver bølgen fremover.
  • En detonasjonsbølge følger litt forskjellige regler fra et vanlig sjokk siden den er drevet av den kjemiske reaksjonen som skjer bak sjokkbølgefronten. I den enkleste teorien for detonasjoner fortsetter en ikke-støttet, selvforplantende detonasjonsbølge ved Chapman-Jouguets strømningshastighet. En detonasjon vil også føre til at et sjokk av type 1, ovenfor, forplanter seg til luften rundt på grunn av overtrykket forårsaket av eksplosjonen.
  • Når en sjokkbølge oppstår av høye eksplosiver som TNT (som har en detonasjonshastighet på 6.900 m/s), vil den alltid bevege seg med høy, supersonisk hastighet fra opprinnelsesstedet.
Schlieren -fotografi av det løsrevne sjokket på en kule i supersonisk flytur, utgitt av Ernst Mach og Peter Salcher i 1887.
Skygge av sjokkbølger fra en supersonisk kule avfyrt fra et rifle. Den optiske teknikken for skyggediagram viser at kulen beveger seg på omtrent et Mach -tall på 1,9. Venstre- og høyre-løpende bue- og halebølger strømmer tilbake fra kulen og dens turbulente kjølvann er også synlig. Mønstre helt til høyre er fra uforbrente kruttpartikler som kastes ut av riflen.

Buestøt (frittstående sjokk)

  • Disse støtene er buet og danner en liten avstand foran kroppen. Rett foran kroppen står de 90 grader i forhold til den møtende strømmen og krummer deretter rundt kroppen. Frittliggende sjokk tillater samme type analytiske beregninger som for det vedlagte sjokket, for strømmen nær sjokket. De er et tema for fortsatt interesse, fordi reglene for sjokkens avstand foran den stumpe kroppen er kompliserte og er en funksjon av kroppens form. I tillegg varierer sjokkavstanden drastisk med temperaturen for en ikke-ideell gass, noe som forårsaker store forskjeller i varmeoverføringen til bilens termiske beskyttelsessystem. Se den utvidede diskusjonen om dette emnet på atmosfærisk reentry . Disse følger de "sterke sjokk" -løsningene til de analytiske ligningene, noe som betyr at for noen skråstøt veldig nær nedbøyningsvinkelgrensen er nedstrøms Mach-nummer subsonisk. Se også baugstøt eller skråstøt
  • Et slikt sjokk oppstår når den maksimale nedbøyningsvinkelen overskrides. Et frittliggende sjokk sees ofte på stumpe kropper, men kan også sees på skarpe kropper ved lave Mach -tall.
  • Eksempler: Returbiler for rom (Apollo, romferge), kuler, grensen ( bue -sjokk ) til en magnetosfære . Navnet "baugsjokk" kommer fra eksemplet på en baugbølge , det løsrevne sjokket som dannes ved baugen (foran) på et skip eller en båt som beveger seg gjennom vann, hvis sakte overflatebølgehastighet lett overskrides (se havoverflatebølge ).

Festet sjokk

  • Disse støtene ser ut som festet til spissen av skarpe kropper som beveger seg med supersonisk hastighet.
  • Eksempler: Supersoniske kiler og kjegler med små spissvinkler.
  • Den vedlagte sjokkbølgen er en klassisk struktur innen aerodynamikk fordi, for et perfekt gass- og usynlig flytefelt, er en analytisk løsning tilgjengelig, slik at trykkforholdet, temperaturforholdet, kilens vinkel og nedstrøms Mach -nummer alle kan beregnes ved å vite oppstrøms Mach -nummer og sjokkvinkel. Mindre sjokkvinkler er assosiert med høyere oppstrøms Mach -tall, og det spesielle tilfellet der sjokkbølgen er 90 ° til den møtende strømmen (normalt sjokk), er assosiert med et Mach -nummer på en. Disse følger de "svake sjokk" -løsningene til de analytiske ligningene.

I raske granulære strømninger

Sjokkbølger kan også forekomme i raske strømninger av tette granulerte materialer nedover skrå kanaler eller bakker. Sterke sjokk i raske tette granulatstrømmer kan studeres teoretisk og analyseres for å sammenligne med eksperimentelle data. Tenk på en konfigurasjon der det raskt bevegelige materialet nedover sjakten støter mot en hindringsvegg reist vinkelrett på enden av en lang og bratt kanal. Påvirkning fører til en plutselig endring i strømningsregimet fra et superkritisk tynt lag som beveger seg raskt til en stillestående tykk haug. Denne strømningskonfigurasjonen er spesielt interessant fordi den er analog med noen hydrauliske og aerodynamiske situasjoner forbundet med endringer i strømningsregimet fra superkritiske til subkritiske strømninger.

I astrofysikk

Astrofysiske miljøer har mange forskjellige typer sjokkbølger. Noen vanlige eksempler er supernovae sjokkbølger eller eksplosjonsbølger som beveger seg gjennom det interstellare mediet, baugsjokket forårsaket av at jordens magnetfelt kolliderer med solvinden og sjokkbølger forårsaket av galakser som kolliderer med hverandre. En annen interessant type sjokk i astrofysikk er det kvasi-jevne omvendte sjokket eller termineringssjokket som avslutter den ultra-relativistiske vinden fra unge pulsarer .

Meteor går inn i hendelser

Skade forårsaket av en meteorsjokkbølge .

Sjokkbølger genereres av meteoroider når de kommer inn i jordens atmosfære. Den Tunguska arrangementet og den 2013 russiske meteoren arrangement er best dokumentert hvor sjokkbølgen som produseres av en massiv meteoroide .

Da meteoren fra 2013 kom inn i jordens atmosfære med en energifrigjøring som tilsvarer 100 eller flere kiloton TNT, dusinvis av ganger kraftigere enn atombomben som ble kastet på Hiroshima , forårsaket meteorens sjokkbølge skader som i en supersonisk jetflyby (rett under meteorens vei) og som en detonasjonsbølge , med den sirkulære sjokkbølgen sentrert ved meteoreksplosjonen, forårsaker flere tilfeller av knust glass i byen Chelyabinsk og nærliggende områder (bildet).

Teknologiske applikasjoner

I eksemplene nedenfor blir sjokkbølgen kontrollert, produsert av (f.eks. Flyblad) eller i det indre av en teknologisk enhet, som en turbin .

Rekompresjonssjokk

Rekompresjonssjokk på et transonisk flydeprofil, ved og over kritisk Mach -nummer .
  • Disse sjokkene oppstår når strømmen over et transonisk legeme senkes til subsoniske hastigheter.
  • Eksempler: Transoniske vinger, turbiner
  • Der strømningen over sugesiden av en transonisk vinge akselereres til en supersonisk hastighet, kan den resulterende re-komprimeringen enten være ved Prandtl – Meyer-komprimering eller ved dannelse av et normalt sjokk. Dette sjokket er spesielt interessant for produsenter av transoniske enheter fordi det kan forårsake separasjon av grenselaget på det punktet hvor det berører den transoniske profilen. Dette kan da føre til full separasjon og stopp på profilen, høyere motstand eller sjokkbuffé, en tilstand der separasjonen og sjokket samhandler i en resonansstilstand, og forårsaker resonansbelastninger på den underliggende strukturen.

Rørstrøm

  • Dette sjokket oppstår når supersonisk strøm i et rør bremses opp.
  • Eksempler:
    • Ved supersonisk fremdrift: ramjet , scramjet , unstart .
    • I strømningskontroll: nåleventil, kvalt venturi.
  • I dette tilfellet er gassen foran sjokket supersonisk (i laboratorierammen), og gassen bak sjokksystemet er enten supersonisk ( skråstøt ) eller subsonisk (et normalt sjokk ) (Selv om det for noen skråstøt er veldig nær nedbøyningsvinkelgrense, nedstrøms Mach -nummer er subsonisk.) Sjokket er et resultat av retardasjonen av gassen med en konvergerende kanal, eller av veksten av grenselaget på veggen i en parallell kanal.

Forbrenningsmotorer

Den bølgeskiven motor (også kalt "Radial forbrennings Wave Rotor") er en form for pistonless rotasjonsmotor som benytter sjokkbølger for å overføre energi mellom en høy-energi fluid til en lav-energi fluid, for derved å øke både temperatur og trykk i lavenergivæske.

Memristors

I memristors , under eksternt påført elektrisk felt, kan sjokkbølger bli lansert over overgangsmetalloksydene, noe som skaper raske og ikke-flyktige resistivitetsendringer.

Sjokkfangst og gjenkjenning

To fly på en blå bakgrunn
NASA tok sin første Schlieren -fotografering av sjokkbølger som interagerte mellom to fly i 2019.

Avanserte teknikker er nødvendig for å fange sjokkbølger og for å oppdage sjokkbølger i både numeriske beregninger og eksperimentelle observasjoner.

Beregningsvæskedynamikk brukes ofte for å oppnå strømningsfeltet med sjokkbølger. Selv om sjokkbølger er skarpe diskontinuiteter, i numeriske løsninger av væskestrøm med diskontinuiteter (sjokkbølge, kontaktdiskontinuitet eller glidelinje), kan sjokkbølgen jevnes ut med numerisk metode i lav rekkefølge (på grunn av numerisk spredning) eller det er falske svingninger nær sjokkoverflate ved numerisk metode av høy orden (på grunn av Gibbs-fenomener).

Det eksisterer noen andre diskontinuiteter i væskestrømmen enn sjokkbølgen. Glideflaten (3D) eller glidelinjen (2D) er et plan over hvilken tangenshastigheten er diskontinuerlig, mens trykk og normalhastighet er kontinuerlig. På tvers av kontaktdiskontinuiteten er trykket og hastigheten kontinuerlig og tettheten er diskontinuerlig. En sterk ekspansjonsbølge eller skjærlag kan også inneholde områder med høy gradient som ser ut til å være en diskontinuitet. Noen vanlige trekk ved disse strømningsstrukturene og sjokkbølgene og de utilstrekkelige aspektene ved numeriske og eksperimentelle verktøy fører til to viktige problemer i praksis: (1) noen sjokkbølger kan ikke oppdages eller posisjonene deres oppdages feil, (2) noen strømningsstrukturer som ikke er sjokkbølger, blir feilaktig oppdaget som sjokkbølger.

Faktisk er korrekt fangst og deteksjon av sjokkbølger viktig siden sjokkbølger har følgende påvirkning: (1) forårsaker tap av totalt trykk, noe som kan være en bekymring knyttet til scramjet-motorens ytelse, (2) gir løft for bølgerytterkonfigurasjon , ettersom den skrå sjokkbølgen på kjøretøyets nedre overflate kan produsere høyt trykk for å generere løft, (3) som fører til bølgedrag av høyhastighets kjøretøy som er skadelig for kjøretøyets ytelse, (4) induserer alvorlig trykkbelastning og varmefluks, f.eks. forstyrrelser av type IV -sjokk -støt kan gi en oppvarmingsøkning på 17 ganger på kjøretøyets overflate, (5) samspill med andre strukturer, for eksempel grenselag, for å produsere nye strømningsstrukturer som strømningsseparasjon, overgang osv.

Se også

Referanser

Videre lesning

Eksterne linker