Stoßwellen bei M=1M=1M = 1 und M>1M>1M > 1

Mir ist nicht ganz klar, was du fragst. Sie scheinen mehrere Dinge gleichzeitig zu fragen, und Ihre Bitte um „eine gründliche Erklärung des Einflusses der Machzahl auf Stoßwellen und wie ein stoßfreier Übergang von Überschall zu Unterschall erreicht werden kann“ scheint sehr weit gefasst zu sein. Zum Beispiel gibt es ganze Lehrbücher, die sich mit Überschallströmung und der Natur und dem Verhalten von Stößen befassen.

Ich werde jedoch versuchen, Ihre Fragen so gut wie möglich zu beantworten, um zu sehen, ob ich helfen kann, Missverständnisse auszuräumen:

Ist nicht immer eine Stoßwelle vorhanden, solange die Welle Überschall ist?

Ich nehme an, Sie beziehen sich hier auf eine Druckwelle, die sich durch ein stationäres Gas ausbreitet? Ich glaube, wenn sich die Welle schneller fortbewegt als die Schallgeschwindigkeit stromaufwärts, dann muss es ein Stoß sein, da keine andere Art von Druckwelle sich schneller fortbewegen kann als der Schall. Beachten Sie, dass es nur aus der Sicht des stromaufwärtigen Gases , das in den Stoß strömt, Überschall ist. Der Schock bewegt sich relativ zum stromabwärts gelegenen Gas (dh dem Gas, das den Schock verlässt) im Unterschallbereich. Dies liegt daran, dass die lokale Dichte über den Stoß hinweg zunimmt, sodass die lokale Schallgeschwindigkeit stromabwärts des Stoßes höher ist als die Stoßgeschwindigkeit.

Ändert sich einfach die Art des Stoßes (z. B. normal, schräg) wie hier angedeutet?

Mir ist etwas unklar, wonach Sie hier genau fragen - ändert sich der Typ aufgrund welcher Bedingungen? Sie scheinen sich auf den Einlasskegel eines Überschallstrahltriebwerks zu beziehen. In diesem Fall besteht das Ziel darin, die Strömung von Überschall zu Unterschall zu verlangsamen (Sie möchten Unterschallbedingungen für die Verbrennung in den meisten typischen Motoren) mit minimalem Energieverlust. Dies geschieht, indem die Strömung zuerst durch eine Reihe von schrägen Stößen und dann schließlich durch einen (schwachen) normalen Stoß geschickt wird. Dies ist gut, da schräge Stöße tendenziell schwächer sind als normale Stöße und geringere Verluste verursachen. Wenn es keinen Einlasskegel gäbe, müsste die Überschallströmung einen großen normalen Stoß vor dem Motor durchlaufen, was sehr verlustbehaftet und ineffizient wäre.

Gibt es einen Unterschied zwischen M=1-Stoßwellen und M>1-Stoßwellen?

Ich denke, Sie haben hier möglicherweise einen Denkfehler. Stoßwellen sind Überschallströmungsphänomene , daher können Sie technisch gesehen bei M = 1 keinen Stoß haben. Bei M = 1 sind Sie kurz davor, einen Schock zu verursachen, aber Sie werden keinen Schock bekommen, bis Sie die Schallmauer überschreiten. Tut mir leid, wenn das etwas pedantisch erscheint, aber ich denke, es ist ein wichtiger Punkt: Es gibt keine 'M = 1'-Schocks, nur M> 1-Schocks. Wenn der Durchfluss bei M=1,00000001 liegt, dann ist er immer noch M>1. (Beachten Sie, dass ich mich hier auf die lokale Machzahl des Flusses beziehe , nicht auf die globale "durchschnittliche" Machzahl, z. B. für ein Flugzeug.)

Der wichtigste zu verstehende Unterschied besteht zwischen normalen und schrägen Schocks. Normale Erschütterungen sind stärker und gehen immer von M>1 nach M<1, dh sie fließen von Überschall zu Unterschall. Schräge Stöße sind weniger stark. Sie können von M>1 nach M<1 fließen, aber sie können auch von M>1 nach M>1 gehen, dh von Überschall zu Überschall (aber niedrigeres M). Tatsächlich nimmt ein schräger Stoß in der Richtung senkrecht zum Stoß auch eine Strömung von Überschall zu Unterschall auf, die Strömung stromabwärts des schrägen Stoßes ist jedoch immer noch Überschall, da es eine Komponente der Strömungsgeschwindigkeit gibt, die tangential zum Stoß ist durch den Schock nicht verändert. Diese Wikipedia-Seite wäre ein guter Ausgangspunkt, wenn Sie mehr über schräge Schocks erfahren möchten.

Dieser Artikel beschreibt beispielsweise einen stoßfreien Übergang von Überschall- zu Unterschallströmung, aber was bedeutet das konzeptionell?

Ich habe nicht den ganzen Artikel gelesen, aber es sieht so aus, als würde er sich darauf beziehen, eine Überschallströmung am Einlass eines Überschallstrahltriebwerks zu verlangsamen, wie ich oben erwähnt habe, aber auf eine Weise, die Stöße vermeidet, was ideal wäre , denn dann würde es diese Verluste vermeiden. Dies erscheint plausibel, denn wenn man sich die Theorie der kompressiblen 1D-Strömung ansieht, reagiert die Strömungsgeschwindigkeit auf Änderungen der Strömungsdurchgangsfläche – die Überschallströmung sollte sich verlangsamen, wenn die Strömungsfläche verringert wird. Es scheint also, als hätte er eine clevere geometrische Technik gefunden, die es ermöglicht, die Strömung auf Unterschall zu verlangsamen, ohne diese entropieerzeugenden Schocks durchlaufen zu müssen (was sicher für die Konstruktion von Überschallmotoren von Interesse wäre).

Ich hoffe das hilft.

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Für eine isentrope 1D-Strömung ist dies die Schlüsselgleichung, die die Kanalfläche mit der Geschwindigkeit in Beziehung setzt:

Wo$V$ist die Geschwindigkeit,$A$ist die Kanalfläche und$M$ist die Machzahl. Sie können daraus sehen, dass wenn$M<1$,$\frac{dV}{dA}$negativ ist und wenn$M>1$,$\frac{dV}{dA}$ist positiv. Somit ist es theoretisch möglich, eine Überschallströmung durch Verkleinerung der Strömungsfläche isentropisch abzubremsen, ohne dass Schocks erforderlich sind.

Wenn Sie mehr darüber wissen möchten, dann denke ich, dass das Lesen einiger Kapitel eines Lehrbuchs über komprimierbare Strömungen Ihnen sehr helfen und viele Ihrer Fragen beantworten würde.