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糖果心中的流水,分子动力学:揭开神秘激波现象的不二利器

2020-01-11 14:18:56   【浏览】2468

糖果心中的流水,分子动力学:揭开神秘激波现象的不二利器

糖果心中的流水,引言

发射于1977年的旅行者1号探测器传回了有关太阳系外围弓形激波的信息。太阳系在星际空间中移动形成一个由气体、尘埃构成的弧形区域,这就像在飞机机翼前气流堆积形成的弓形结构。激波,这个自宇宙爆炸生成之初就存在的神秘现象,至今吸引并困扰着相关学者。

图1 旅行者1号太空拍摄照片

01 激波的产生

激波,又称冲击波,是指在气体、液体和固体介质中,应力/压强、密度和温度等物理量在波阵面上发生突跃变化的压缩波。

在常见的气体扰动现象中,如车辆行驶、飞机飞行迁移、汽车气缸活塞高速推行,扰动通常以波的形式按当地声速向外传播。当物体移动速度高于扰动传播,扰动波发生堆积,在物体头缘附近形成集中的强扰动,并出现一个压缩过程的界面,即激波,而由物体产生的小扰动无法穿越激波传播到上游,如同现实生活中汽车在街口等红灯时,后到的车辆也会堆积在停止线之前,而非直接穿越停止线;流场中的宏观物理量如速度、温度在激波前后不连续,就像车流在停止线前后也会发生间断一样。

图2 风洞激波实验

激波现象在生活中十分常见,超音速绕体、管流以及间断传播(爆炸、爆震)等问题中都会出现激波。激波产生之后,机械能耗损转化为热能,于是出现了新型阻力——波阻,并使传热问题变得严重。 激波可分为正激波和斜激波两种。气流方向和激波面正交的称之为正激波,如活塞管内气体推进;气流方向和激波面斜交的则称为斜激波,如超音速战斗机机翼上的绕流问题。激波的产生,造成了波峰前后物理量跳跃式变动,压强急剧增高,气体液化,阻力增大,压力脉动,甚至对物体结构形成破坏。

图3 音障实景

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