前言:
激波看似是一种远离日常生活的现象,然而在我们的日常生活中,往往也伴随着激波的身影。
提到激波,大家往往会想到超音速飞机的锥形云



乃至火箭在大气层内超音速飞行时产生的锥形云

和超音速 59 式坦克

以下是超音速风洞中产生的激波。激波可分为两种:斜激波和弓形激波。

足够快的超音速气流碰到尖头物体时会产生斜激波

斜激波和弓形激波并存的状态,斜激波由尖头引发,弓形激波由模型表面细小的凸起引发

超音速气流碰到钝头物体时则会形成弓形激波,激波在风洞下表面反射

以上的现象不管是发生在超音速飞机火箭还是超音速风洞,都离我们的日常生活很遥远。
我们知道声音是一种机械波,所有的机械波都有特定的传播速度。声波的速度也就是音速,在海平面上是 340m/s,这是一个在日常生活中难以企及的速度。许多人虽然知道音速的数值,但其实对音速并没有概念。我们在台风天感受过 40m/s 的狂风,也在汽车上把手伸出窗外感受过 30m/s 的气流,但我们永远不会有机会感受超过 340m/s 的超音速气流(除非你超音速弃机弹射)。

我们很难切身感受在超音速气流中激波产生和维持的过程。
一个人即使没有学过牛顿第二定律,也能接住别人抛来的物体,因为他通过日常生活中的切身感受掌握了一种直觉。
一个人即使学过超音速空气动力学,会使用公式计算激波的位置,也很难通过直觉预测激波。
那么我们如何才能切身感受激波呢?
用水流模拟气流
水波和声波都是机械波。相比难以触及的音速,水波的速度是我们非常熟悉的

美国爱达荷大学的 Team Rocket 团队搭设了一个可供水流从高往低匀速流过的“水桌”。左边的水桶中的水,会被泵入右边的水箱。右边的水箱装满水后会从顶部溢出均匀的薄层水流,薄层水流会匀速流过水路并流到左边的水桶里。这样就可以通过将模型放置在水路中,并观察水的起伏来进行模拟。

团队把水流模拟的结果与计算机仿真相对比,发现结果惊人的相似。
我们知道激波是空气压力在极小的空间尺度(几微米)下的瞬间剧烈变化,类似于爆炸的冲击波。气流中气压的变化在水流中可以用水面高度的变化来模拟。
水流在钝头物体前形成了弓形激波。


水流在尖头物体前形成了斜激波


大名鼎鼎的 SR71 黑鸟侦察机采用了带有可调激波锥进气口的发动机

也就是下图中间的形式。这种进气口相比下图左边的皮托式进气口更加高效。但它需要根据前方气流的速度主动调整激波锥的位置,使得激波(紫色线段)正好落在进气口边缘。

利用“水桌”,团队将可调激波锥进气口的原理做了可视化:

从视频中我们可以看到,当激波锥移动到正确的位置时,激波正好落在进气口边缘,形成反射。水流通过两道斜激波(红线),逐渐减速。

日常生活中的激波
我们自己在家也可以重复这个实验。打开水龙头,我们会看到水流大致分为中间流速快的区域,和周围流速慢的区域,分别对应着超音速和亚音速气体。两者之间圆形的界限属于弓形激波。跨过这道激波,水面的高度有一个瞬间的变化,这对应着空气激波两边压力的变化。

在“超音速”区域放置一个钝头物体,我们可以发现物体前出现了一道弓形激波

在筷子模拟的尖头物体左右出现了斜激波

将筷子放在亚音速区时并没有出现激波

结论
我们在水流中发现了类似激波的现象,有助于我们在日常生活中切身体会激波形成的原理,让我们从直觉的角度加深对激波的理解。
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参考资料
Team Rocket, 2015, the University of Idaho, THE MINDWORKS WIKI