激波

气体、液体和固体介质中应力(或压强)、密度和温度在波阵面上发生突跃变化的压缩波，又称冲击波。在超声速流动、爆炸等过程中都会出现激波。爆炸时形成的激波又称爆炸波。水管中阀门突然关闭形成的波也是一种激波。在固体介质中，强烈的冲击作用会形成激波(见固体中的激波)，在等离子体中也会形成激波。以下仅介绍气体中的激波。

激波的形成  激波可视为由无穷多的微弱压缩波叠加而成。数学家B.黎曼在分析管道中气体非定常运动时发现，原来连续的流动有可能形成不连续的间断面。图1说明管道内非定常流动中激波的形成过程。在管的左端用活塞向右推动气体，使气体运动速度由零逐渐加大到v，产生一系列向右传播的压缩波。在t瞬间，A、B面之间为压缩区，图上方表示t瞬间管内气体速度分布情况。下方的两图分别画出沿管长x相应的压强p和速度v的分布。由A到B，压强由p逐渐上升为p，速度由零增大到v。经微小厚度dx的一薄层，流体压强升高dp，这是一道微弱的压缩波，向右的传播速度为气体速度v 和当地声速(见声速)之和。整个压缩区AB中有无穷多道压缩波，左面的波都比右面的传播得快，随着波的前传，在以后的瞬间t、t，压缩区愈变愈窄。相应的压强、速度分布曲线如图中虚线所示。最后在t时刻，所有的压缩波合在一起形成一道突跃的压缩波激波。经过激波，压强突然由p增大到p，流速由零增大为v。激波相对于波前气体的传播速度是超声速的，激波愈强，传播速度愈快；激波相对于波后气的传播速度是亚声速的。定常超声速气流沿凹壁流动时也会形成激波。图2为定常超声速流动中压缩波叠加成激波的图形。

图1

图2

利用光线经过密度不同的介质会发生偏转的性质，可用光学方法对激波照相。用此原理摄下的超声速飞行器周围激波的照片(见彩图)。

不同种类飞行器周围的激波：超声速飞机

激波损失  在实际气体中，激波是有厚度的。在只考虑气体粘性和热传导作用的条件下，由理论计算可知，激波的厚度很小，与气体分子的平均自由程同数量级。对于标准状况下的空气，激波厚度约为10毫米。在空气动力学中常把激波当作厚度为零的不连续面，称为强间断面。气体经过激波时，速度和温度都发生突跃变化，粘性和导热作用很大。在气体温度很高，激波很强的情况下，甚至气体的热力学平衡状态也会遭到破坏。这种破坏过程是不可逆过程，按热力学第二定律，气体的熵增加，同时有很大一部分机械能转化为热能，这就是所谓激波损失。在超声速流动中，一般总会产生激波。对于作超声速运动的飞行器，激波的出现会引起很大的阻力;对于超声速风洞(见风洞)、进气道和压气机等内流设备，在气流由超声速降为亚声速时出现的激波，会降低风洞和发动机的效率。所以，减弱激波强度以减小激波损失是实际工作中的一项重要课题。

正激波和斜激波  波面与波的运动方向或气流方向垂直的激波称为正激波，倾斜的称为斜激波(图3)。定常超声速气流穿过斜激波会折转一个角度，使流动方向发生改变。一定马赫数的超声速气流经斜激波可能折转的角度有一个最大值。将一个尖楔置于超声速气流中，当楔面相对于气流的倾斜角小于上述最大值时，就会产生附着在楔尖上的斜激波(图3a)。若楔角超过此最大值，则会产生立在物体前面的弓形激波(图3b，图4为弓形激波的阴影照片)，这种激波通常称为离体激波；弓形激波的中间部分相当于正激波(图3b中的AB段)。有关激波前后参量的变化见激波关系式。

图4

激波的应用  激波可使气体压强和温度突然升高，因此，在气体物理学中常利用激波来产生高温和高压，以研究气体在高温和高压下的性质。利用固体中的激波，可使固体压强达到几百万大气压(1 大气压等于101325帕)，用以研究固体在超高压下的状态。这对解决地球物理学、天体物理学和其他科学领域内的问题有重要意义。

参考书目 徐华舫著：《空气动力学基础》，下册，国防工业出版社，北京，1980。