Was verursacht die Verringerung der Geschwindigkeit über die Stoßwelle?

Wenn Sie nachsehen, was den Schock verursacht, muss ein Hindernis an der Wurzel liegen. Siehe folgende Skizze für einen geraden und einen schrägen Druckstoß:

Im Falle des geraden Stoßdämpfers kann dies ein stumpfer Körper oder ein Einlass sein, der mit langsamer fließender Luft mit höherem Druck gefüllt ist. Beim Schrägstoß ist dies eindeutig der Knick in der Wandkontur, der die Strömung zur Richtungsänderung zwingt.

Der Index 1 bezeichnet Bedingungen vor dem Schock und 2 die nach dem Schock. Bei schwachen geraden Stößen das Produkt aus der Geschwindigkeit vor dem Stoß$v_1$und die Geschwindigkeit hinter dem Schock$v_2$gleich dem Quadrat der Schallgeschwindigkeit:

$$v_1\cdot v_2 = a^2$$ Wenn wir die lokale Mach-Nummer anrufen $Ma$, und wenn $Ma_1 > 1$, dann $Ma_2$muss kleiner als 1 sein, damit die Strömung durch einen geraden Stoß immer auf Unterschallgeschwindigkeit abgebremst wird. Dasselbe gilt für die normale Komponente eines Schrägstoßes: Auch sie wird Unterschall. Da sich die Gesamtenergie des Gases nicht ändert, steigen sein Druck, seine Dichte und seine Temperatur, wenn es abgebremst wird.

Die inkrementelle Druckänderung$\delta p$aufgrund der Biegung mit einem inkrementellen Winkel von$\delta\vartheta$, ausgedrückt durch die ungestörte Strömung mit dem Index$\infty$, ist proportional zur Änderung der Stromlinien:

$$\delta p = -\frac{\rho_{\infty}\cdot v^2_{\infty}}{\sqrt{Ma^2_{\infty} - 1}}\cdot\delta\vartheta$$

Gasdruck auf molekularer Ebene ist die Anzahl und Schwere von Teilchenkollisionen . Die Luftmoleküle erfahren auf der stromabwärtigen Seite des Schocks mehr Kollisionen, da dort der Luftdruck höher ist. Die durchschnittliche Richtung der zusätzlichen Kollisionen ist tatsächlich orthogonal zum Schock, weil es die Grenze zwischen glückselig unbewussten Molekülen bei Umgebungsdruck vor dem Schock und ihren verletzten Brüdern stromabwärts ist, die gerade diese Grenze überschritten haben. Hat ein Molekül den Stoß passiert, kommen die Stöße wieder gleichmäßig von allen Seiten und seine Geschwindigkeit ändert sich nicht mehr.

Bei Unterschallgeschwindigkeit kann diese Druckänderung in alle Richtungen ausstrahlen und wird zu einem flachen Druckgradienten. Bei Überschallgeschwindigkeit können keine Informationen über die bevorstehende Druckänderung nach vorne wandern, sodass sich die Änderung in der Stoßfront konzentriert.

Der Mechanismus ist nicht so kompliziert, wie es auf den ersten Blick scheint. Als erstes, was ist eine Überschallströmung? Ist eine Strömung, bei der die Luftgeschwindigkeit höher als Mach > 1 ist, und wenn wir über Luft sprechen, die aus einer stromaufwärts gelegenen Unterschallströmung kommt, hat die Luft einen niedrigeren Druck (das passiert auf der Oberseite eines Flügels ).

Also Hochgeschwindigkeitsluft mit niedrigem Druck, die versucht, sich entlang des Flügels bis zum Ende des Flügels (der Hinterkante) zu bewegen, aber am Ende des Flügels befindet sich die Luft auf dem stromaufwärtigen Unterschalldruck ... also Luft bei Ein höherer Druck versucht normalerweise, in Niederdruckluft zu gelangen ... aber die Überschallluft hat eine große Trägheit.

Schließlich haben wir Luft mit hoher Geschwindigkeit, die sehr schwer zu stoppen ist ... wir sprechen von sehr hohen Geschwindigkeiten, und die Luft kann sich nur in einem sehr kleinen Raum mit einer Stoßwelle anpassen.

Das ist der Mechanismus, der als „Stoßwelle im ungünstigen Druckgradienten“ bezeichnet wird.

Es gibt einen anderen Mechanismus, der oben beschrieben wurde, nämlich die Überschallströmung gegen Hindernisse.

Stellen Sie sich vor, wir haben eine Überschallströmung, die sich auf eine Stufe oder eine Rampe zubewegt... offensichtlich hat die Luft wieder die gleiche hohe Trägheit, ist Überschall!!! Aber die Luft "weiß nicht", dass es eine Rampe gibt. Warum nicht? Da sich die Informationen in der Flüssigkeit mit Schallgeschwindigkeit bewegen, können die Moleküle der Luft, die von der Rampe abprallen, die anderen Moleküle nicht schnell genug erreichen.

Also... bewegt sich eine Strömung mit hoher Trägheit auf eine Rampe zu und bemerkt plötzlich eine Rampe, an die sich die Strömung vorher nicht angepasst hat und anpassen muss!!! So verhält es sich plötzlich ganz ähnlich wie zuvor.

Eine andere Möglichkeit, den Mechanismus zu verstehen, besteht darin, die Wellen zu betrachten, die entstehen, wenn wir einen Stein ins Wasser werfen. Was passiert, wenn sie sich dem Ufer nähern? Sie machen weiter, da es kein Ufer gibt, bis sie es plötzlich bemerken und sterben oder darauf springen. Ist der gleiche Mechanismus (eigentlich der gleiche!!! Überschall bewegt sich in "Wellen").

Abschließend nur noch zu bemerken, dass die Stoßwelle eine endliche Größe hat, wirklich klein ist, aber keine Oberfläche mit einer Dicke von 0 ist. Beachten Sie, dass wir einen Bereich haben, in dem eine hohe Geschwindigkeit auf sehr kleinem Raum in eine niedrige Geschwindigkeit umgewandelt wird. Da spielt die Viskosität eine Rolle.