Warum bilden sich Dampfkegel um Düsenjäger?

Es bildet einen Kegel, weil es von einer Stoßwelle abhängt , und der von der Stoßwelle eingeschlossene Bereich erscheint kegelförmig.

Siehe zum Beispiel die scheinbaren Kegel hier:

Sie sind auch hier sichtbar:

Wikipedia scheint ziemlich klar zu sein, warum Dampfkegel mit Stoßwellen zusammenhängen. Von der Einleitung zum Artikel über Dampfkegel:

Atmosphärisches Wasser kondensiert dann und wird somit sichtbar, wenn der Luftdruck plötzlich über Stoßwellen abnimmt, die mit Überschallströmungsgeschwindigkeit verbunden sind.

Es ist auch schön auf die Seite für die Prantl-Glauert-Singularität gestellt :

Der Grund für die beobachtete Kondensationswolke ist, dass feuchte Luft in eine Niederdruckregion eintritt, die auch die lokale Dichte und Temperatur ausreichend reduziert, um Kondensation zu verursachen. Der Dampf verschwindet, sobald der Druck wieder auf Umgebungsniveau ansteigt.

Wir müssen also einfach herausfinden, warum diese Stoßwellen konisch sind. Die Antwort darauf ist im Wesentlichen, dass der Bereich innerhalb des Kegels einen viel anderen Druck hat als der Bereich außerhalb. An jedem gegebenen Raumpunkt dehnt sich der Grenzquerschnitt gleichmäßig in alle Richtungen aus (also ein Kreis). Im Außenbereich haben Luftmoleküle einen Druck; im inneren Bereich haben die Moleküle einen anderen Druck. Die Schockwelle ist die Grenze zwischen diesen beiden Regionen. Wenn es sich nach außen bewegt, erhalten die Moleküle, die es passiert, den gleichen Druck wie die anderen Moleküle im Inneren des Kegels.

Die Wolkenscheibe, die bei der Beschleunigung über Mach I am Rumpf eines Flugzeugs entlanggleitet, könnte durch die Physik eines Ultraschallfelds erklärt werden, das durch den Doppler-Effekt erzeugt wird.

Mechanischer und aerodynamischer Schall, der von einem Flugzeug erzeugt wird, das auf Mach I zu beschleunigt, ist in einem Schallkegel eingeschlossen, dessen Spitze sich an einem Punkt in abnehmender Entfernung vor der Nase befindet. Bei Mach I ist die Flugzeugnase die Spitze des Kegels. Die vom Flugzeug erzeugte Schallenergie im Schallkegel breitet sich mit Schallgeschwindigkeit aus – seitlich, senkrecht zur Fluglinie und nach vorne, wo sie vor den Vorderkanten an Intensität aufbaut.

Mit zunehmender Luftgeschwindigkeit zeigt die Schallenergie im vorderen Schallkegel eine steigende Schallfrequenz bei proportional abnehmender Wellenlänge (Doppler-Effekt). Durch die Reduzierung des Flugzeugs auf Punktgröße werden die aerodynamischen und mechanischen Geräusche des Flugzeugs auf einen perfekten Kegel beschränkt. Bei Mach I beträgt der Winkel der Kegelränder zur Fluglinie 45 Grad (der Schall strahlt seitlich von der Fluglinie in der gleichen Entfernung ab, wie sich das Flugzeug vorwärts bewegt), wodurch ein Winkel von 90 Grad zwischen den Kegelrändern entsteht.

Die Wolkenscheibenbildung erfordert Feuchtigkeit als Eiskristallnebel, Wassernebel oder Regentropfen (Ultraschall „zerstäubt“ Wasser). Doppler-induzierter Ultraschall treibt (fegt) schwebende Partikel (einschließlich Tröpfchen) nach vorne weg von der Ultraschallquelle (Liebermann LN 1949. Die zweite Viskosität von Flüssigkeiten. Phys. Rev. 75, 1415-1422), die das Flugzeug ist; Dadurch entsteht eine scheibenförmige Wolke, deren abgerundete Ränder durch die Form des Querschnitts des Schallkegels definiert sind. Bei Mach I berührt die Wolkenscheibe die Flugzeugnase. Beim Beschleunigen über Mach I hinaus gleitet die Wolkenscheibe am Rumpf entlang (Abbildung 1) und lässt dabei den Schall des Flugzeugs zurück.

Kondensation von atmosphärischem Wasserdampf aufgrund der Stoßwelle. Luftmoleküle können sich mit der Grenze der Schallgeschwindigkeit (343 m/s) fortbewegen, daher bewegen sich Moleküle, die auf den Körper eines Flugzeugs treffen, das sich mit niedrigeren Geschwindigkeiten bewegt, davon. Sobald das Flugzeug die Schallgeschwindigkeit überschreitet, werden die Moleküle mit einer Geschwindigkeit geschoben, die schneller ist, als sie sich fortbewegen können. Dies verursacht eine Schockwelle in der Luft um das Flugzeug herum. Unter bestimmten Umständen des Taupunkts und der relativen Luftfeuchtigkeit bewirkt die Stoßwelle, dass die Wasserdampfmoleküle kondensieren und den Dampfkegel bilden.

Wir müssen verstehen, dass zwei Phänomene auftreten. Eines davon erzeugt den Dampf. Der andere formt den Dampf zu einem Kegel. Der Dampf wird in diesem Fall durch den lokalisierten Druckabfall unter den Taupunkt in der Luft unmittelbar um die sich hindurchbewegende Struktur erzeugt. Der Kegel wird durch die Hoch- und Niederdruckwellen gebildet, die sich von der Struktur ausbreiten, wenn sie sich durch Luft bewegt.