Скачок уплотнения можно рассматривать как слой весьма малой толщины δ ( см), т.е. порядка длины свободного пробега молекул), "натолкнувшись" на который сверхзвуковой поток теряет часть своей кинетической энергии в результате преобразования ее в энергию давления и тепловую энергию. Одновременно с резким уменьшением скорости от V₁ до V₂ в скачке происходит резкое (скачкообразное) повышение давления (p₂>p₁), плотности () и температуры (T₂>T₁).

Установлено, что переход от сверхзвуковой скорости V₁ к дозвуковой V₂ всегда происходит только в прямом скачке уплотнения (а). В косом скачке (рисунок 1, б) качественно параметры потока меняются так же, как в прямом, но интенсивность изменения параметров меньше, и за косым скачком вектор скорости потока изменяет направление (), а скорость V₂ может оставаться сверхзвуковой.

Ударная волна - скачок уплотнения, распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью, тонкая переходная область, в которой происходит резкое увеличение плотности, давления и скорости вещества. Ударная волна возникает при взрывах, при сверхзвуковых движениях тел, при мощных электрических разрядах и т.д. Например, при взрыве образуются высоко нагретые продукты взрыва, обладающие большой плотностью и находящиеся под высоким давлением. В начальный момент они окружены покоящимся воздухом при нормальной плотности и атмосферном давлении. Расширяющиеся продукты взрыва сжимают окружающий воздух, причём в каждый момент времени сжатым оказывается лишь воздух, находящийся в определённом объёме; вне этого объёма воздух остаётся в невозмущённом состоянии. С течением времени объём сжатого воздуха возрастает. Поверхность, которая отделяет сжатый воздух от невозмущённого, и представляет собой ударную волну (или, как говорят, — фронт ударной волны).

В воздухе наблюдаются только скачки уплотнения. В этом случае по отношению к среде перед ее фронтом ударная волна движется со скоростью, превышающей скорость звука в этой среде; по среде за ее фронтом волна движется с дозвуковой скоростью. Звуковые волны могут нагнать ударную волну сзади, сама же волна надвигается бесшумно. Привлечение законов термодинамики позволило теоретически обосновать это свойство ударных волн для сред с обычными термодинамическими свойствами (теорема Цемплена).

Процессы, происходящие в скачках, необратимы, так как часть тепла, выделяющаяся при нагревании воздуха в скачке, рассеивается в окружающем пространстве. Необратимость ударного сжатия свидетельствует о наличии диссипации механической энергии во фронте ударной волны Диссипативные процессы можно учесть, приняв во внимание вязкость и теплопроводность газа. При этом оказывается, что сам скачок энтропии в ударной волне не зависит ни от механизма диссипации, ни от вязкости и теплопроводности газа. Последние определяют лишь внутреннюю структуру фронта волны и его толщину. В ударной волне не слишком большой интенсивности все величины — u, р, ρ и Т монотонно изменяются от своих начальных до конечных значений. Энтропия же S меняется не монотонно и внутри ударной волны достигает максимума в точке перегиба скорости, то есть в центре волны. Возникновение максимума S в волне связано с существованием теплопроводности. Вязкость приводит только к возрастанию энтропии, так как благодаря ей происходит рассеяние импульса направленного газового потока, набегающего на ударную волну, и превращение кинетической энергии направленного движения в энергию хаотического движения, то есть в тепло. Благодаря же теплопроводности тепло необратимым образом перекачивается из более нагретых слоев газа в менее нагретые.Поскольку интенсивность косых скачков уплотнения меньше, чем прямых, потери энергии в косом скачке меньше. Потери энергии в скачке уплотнения являются дополнительным источником сопротивления.

Явления, связанные с возникновением ударных волн и скачков уплотнения, называются волновым кризисом.

 

 

 

Что такое лобовое сопротивление при обтекании твердых тел потоком жидкости или газа - общеизвестно. Однако, кроме лобового сопротивления, при обтекании возникает так называемое волновое сопротивление, являющееся результатом затрат энергии на образование акустических или ударных волн. В газе, например, ударные волны возникают при образовании скачка уплотнения у лобовой поверхности тела при обтекании его сверхзвуковым потоком газа. При образовании скачка уплотнения резко увеличивается плотность, температура, давление и скорость вещества потока; в результате могут иметь место процессы диссоциации и ионизации молекул, сопровождающиеся мощным световым излучением. Световое излучение может сильно разогреть как газ перед фронтом волны, так и поверхность движущегося тела.

Классический пример возникновения и распространения ударной волны — опыт по сжатию газа в трубе поршнем. Если поршень вдвигается в газ медленно, то по газу со скоростью звука а бежит акустическая (упругая) волна сжатия. Если же скорость поршня не мала по сравнению со скоростью звука, возникает ударная волна. Скорость распространения ударной волны по невозмущенному газу uВ = (xф2 – xф1) /(t2 –t1) (рис. 1) больше, чем скорость движения частицы газа (так называемая массовая скорость), которая совпадает со скоростью поршня u = (xП2 – xП1) /(t2 –t1).

 

Расстояния между частицами в ударной волне меньше, чем в невозмущенном газе, вследствие сжатия газа. Если поршень сначала вдвигают в газ с небольшой скоростью и постепенно ускоряют, то Ударная волна образуется не сразу. Вначале возникает волна сжатия с непрерывными распределениями плотности r и давления р. С течением времени крутизна передней части волны сжатия нарастает, так как возмущения от ускоренно движущегося поршня догоняют ее и усиливают, вследствие чего возникает резкий скачок всех гидродинамических величин, то есть ударная волна.

При достижении поверхности земли ударная волна отражается от неё, подобно тому как отражается звуковая волна, образуя эхо. Отражённая ударная волна способна производить разрушения так же, как и падающая (прямая). На некотором расстоянии от эпицентра взрыва, зависящем главным образом от высоты и мощности взрыва, у поверхности земли (воды) фронты прямой и отражённой ударных волн сливаются и образуется волна Маха (или головная ударная волна), имеющая почти вертикальный фронт. Это явление слияния прямой и отражённой волн называется эффектом Маха. Избыточное давление во фронте волны Маха обычно в два раза больше, чем избыточное давление во фронте падающей ударной волны.

При воздушном взрыве мощностью в 1 мегатонну, осуществлённом на высоте около 2 тысяч метро, эффект Маха наблюдается примерно через 4,5 секунды после взрыва вдоль линии, напоминающей окружность и отстоящей от эпицентра на расстоянии примерно 2 км (под эпицентром взрыва понимается точка на поверхности земли/воды, расположенная под/над центром взрыва). В этот момент избыточное давление на поверхности земли во фронте ударной волны составляет около 1,12 кг/см, так что общее (абсолютное) давление воздуха при этом превышает более чем в два раза нормальное атмосферное давление (нормальное атмосферное давление на уровне моря составляет 1,03 кг/см).

Вначале высота фронта волны Маха небольшая, но по мере продвижения этого фронта от эпицентра взрыва она увеличивается. В то же время избыточное давление во фронте волны Маха, как и во фронте падающей (прямой) волны, уменьшается по мере постоянного уменьшения энергии волны и все увеличивающейся площади, которую охватывает движущийся фронт этой волны. Спустя 40 секунд после ядерного взрыва мощностью в 1 мегатонну, когда фронт волны Маха уже находится на расстоянии 16 км от эпицентра взрыва, избыточное давление уменьшается примерно до 0,07 кг/см.
Расстояние от эпицентра взрыва, на котором наблюдается эффект Маха, изменяется в зависимости от высоты взрыва. Например, как видно из рисунка выше, при взрыве на низкой высoте во время испытаний под названием "Тринити" (в Аламогордо, штат Нью-Мексико) фронт волны Маха наблюдался в тот момент, когда фронт прямой ударной волны находился на небольшом расстоянии от огненного шара. Наоборот, при воздушном взрыве на очень большой высоте сколько-нибудь заметного эффекта Маха не наблюдается.

Необходимо отметить, что при прохождении фронта ударной волны образуются очень сильные скоротечные ветровые потоки воздуха. Максимальная скорость воздуха в ударной волне на сравнительно близких от эпицентра расстояниях может достигать нескольких сотен километров в час; даже на расстоянии около 10 км от места взрыва мощностью в 1 мегатонну максимальная скорость воздуха будет более 110 км/час. Очевидно, что такие сильные потоки воздуха способны значительно увеличить разрушения, которые вызываются действием избыточного давления ударной волны, возникающей при ядерном взрыве.