压缩波

在气体动力学中，波是扰动区和未扰动区的分界面。若穿过此界面，扰动使气体的压强升高，则此波称为压缩波；反之称为膨胀波。一维非定常流动中的压缩波的形成可用图1说明。图1a上方表示一个原来装有压强和密度分别为p和ρ的静止气体的管道。当活塞以无限小的速度dv向右运动时，活塞右侧相邻的一层气体被压缩，压强和密度分别升高一个微量dp和dρ，并被迫以与活塞同样的速度向右运动。接着，已运动的气体又推动右边相邻的气体。如此一层一层往右传播，即活塞的运动在静止气体中产生扰动并以一定的速度在未扰动气体中传播。这种微弱扰动的传播速度等于声速。过一定时间后，扰动传播到A-A′位置，AA′面便是扰动和未扰动区域的分界面。这个分界面就是压缩波。图1a下方表示在某一对应的瞬间气体压强p沿管长x的分布。反之，若活塞以速度dv向左运动，产生的扰动使活塞右侧气体压强和密度减小，相应的波称为膨胀波。压缩波和膨胀波有一个根本区别：对于一系列前后相继的压缩波(图1b)，后面的波的传播速度比前面的波快，最终可能叠在一起形成一道突跃的压缩波，即激波；膨胀波则相反，不会形成突跃的膨胀波。一维非定常波主要用来分析各种管道中的非定常流动。在二维和三维定常超声速气流中，扰动和未扰动区的分界面就是马赫波(见马赫锥)。超声速气流经过一系列马赫波膨胀加速，也称为膨胀波，若增压减速，则称为压缩波。定常超声速气流绕凸壁表面和凹壁表面的流动就是膨胀波和压缩波的典型例子(图2)。当气流绕凸壁表面时(图2a)，气流的马赫数逐渐增大，马赫角逐渐减小，依次的波逐渐向下游倾斜，形成向下游张开的一个扇形连续膨胀区(见普朗特－迈耶尔流动)。绕凹壁则情况相反(图2b)，诸波依次有汇交的趋势。在诸压缩波汇交时，一系列微弱压缩波叠在一起，形成激波。在定常超声速气流中，气体速度、压强等的变化都是以压缩波、膨胀波或激波的形式出现的。

图2

图1