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空气动力学基本概念：激波：激波实验技术与测量方法

1空气动力学与激波基础

1.1激波的定义与类型

激波，是流体动力学中的一种现象，当流体（如空气）以超音速流动时，

由于流体的不可压缩性限制被打破，流体中的压力、温度和密度会在极短的距

离内发生剧烈变化，形成一个薄薄的、具有高能量密度的区域，这就是激波。

激波的形成是流体动力学中非线性效应的直接结果，它在航空航天、汽车工程、

爆炸和燃烧等领域有着广泛的应用。

1.1.1激波的类型

激波根据其几何形状和形成条件，可以分为以下几种类型：

1.正激波：当流体垂直于流动方向突然减速时形成的激波，这种激

波在流体中垂直于流动方向。

2.斜激波：斜激波是在流体中以一定角度相对于流动方向形成的激

波，常见于超音速飞行器的翼面。

3.膨胀波：膨胀波与激波相反，它是在流体压力降低时形成的，通

常在超音速流体绕过凸起表面时出现。

4.附体激波：当流体绕过物体时，由于物体的形状和流体的流动特

性，会在物体周围形成激波。

1.2激波的形成与传播原理

激波的形成与传播原理涉及到流体动力学的基本方程，包括连续性方程、

动量方程和能量方程。当流体速度超过音速时，流体中的信息传播速度（即声

速）无法跟上流体的速度，导致流体中的压力、温度和密度无法均匀分布，从

而形成激波。

1.2.1激波的形成

激波的形成可以通过以下简化模型来理解：

假设一个超音速飞行器以速度飞行，前方的空气以速度飞行器移动。

当飞行器的速度大于声速时，前方的空气无法及时“逃离”飞行器，导致

空气在飞行器前部堆积，形成高压区。这个高压区的边界就是激波。激波前后

的流体状态会发生显著变化，包括压力、温度和密度的增加，以及速度的减小。

1

1.2.2激波的传播

激波的传播速度可以通过激波关系式计算得出，这些关系式基于流体动

力学的基本方程。激波的传播速度通常大于流体的音速，这意味着激波能够以

超音速在流体中传播。

1.2.2.1激波关系式

激波关系式描述了激波前后流体状态的变化，包括压力、密度、温度和速

度。其中，最著名的激波关系式是拉马努金-冯·卡门关系式，适用于正激波的

情况。这些关系式基于流体动力学的守恒定律，可以用来计算激波前后的流体

状态。

1.2.3示例：计算正激波后的流体状态

假设我们有一个超音速流体，其马赫数=2.5，温度=300压力

11

=101325。我们想要计算正激波后的流体状态。

1

1.2.3.1正激波关系式

对于正激波，流体状态的变化可以通过以下关系式计算：

22

压力比/=1+−1

211

1

2/1

密度比/=

212

1+1−1/2

1

2/1

温度比/=

21

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