《膨脹波與激波》課件

膨脹波與激波課程介紹課程目標(biāo)了解膨脹波與激波的概念、特點(diǎn)、形成條件和傳播規(guī)律。課程內(nèi)容涵蓋膨脹波與激波的理論基礎(chǔ)、數(shù)值模擬方法和工程應(yīng)用案例。課程形式理論講解、案例分析、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)演示相結(jié)合。膨脹波與激波的定義膨脹波膨脹波是一種壓縮波，其特征是密度、壓力和溫度隨著波的傳播而降低。當(dāng)氣體從高壓區(qū)域向低壓區(qū)域流動時，就會產(chǎn)生膨脹波。激波激波是一種壓縮波，其特征是密度、壓力和溫度在波的傳播過程中急劇增加。當(dāng)氣體以超音速速度運(yùn)動時，就會產(chǎn)生激波。膨脹波與激波的特點(diǎn)膨脹波壓力降低，密度降低，溫度降低。激波壓力升高，密度升高，溫度升高。膨脹波傳播速度小于聲速。激波傳播速度大于聲速。膨脹波與激波的產(chǎn)生條件1流體壓縮當(dāng)流體被壓縮時，流體內(nèi)部的壓力和溫度都會升高。2流速變化當(dāng)流體流速突然變化時，例如從高速流到低速流，會導(dǎo)致激波的產(chǎn)生。3能量釋放爆炸、燃燒等能量釋放過程會產(chǎn)生沖擊波，沖擊波是一種特殊的激波。膨脹波與激波的傳播規(guī)律1速度膨脹波速度小于聲速2方向膨脹波向外傳播3強(qiáng)度膨脹波強(qiáng)度逐漸減弱4影響降低氣體密度和壓力案例分析:氣膜的形成氣膜是一種由高速氣流產(chǎn)生的薄層空氣，它能夠阻擋和減緩物體與空氣之間的摩擦熱，從而保護(hù)物體不受高溫?fù)p害。氣膜的形成是膨脹波和激波相互作用的結(jié)果。例如，當(dāng)航天器進(jìn)入大氣層時，由于高速飛行，在航天器前方會形成強(qiáng)烈的激波，激波后的氣流被壓縮加熱，溫度急劇上升。同時，航天器尾部的氣流會形成膨脹波，膨脹波會使氣流減速降溫。膨脹波和激波的相互作用會形成氣膜，保護(hù)航天器免受高溫灼燒。案例分析:彈道導(dǎo)彈飛行彈道導(dǎo)彈飛行過程中，會產(chǎn)生復(fù)雜的膨脹波和激波現(xiàn)象。導(dǎo)彈在高速飛行時，空氣被壓縮形成激波，而導(dǎo)彈尾部噴出的氣體則形成膨脹波。膨脹波和激波的相互作用，會影響導(dǎo)彈的飛行軌跡、速度和穩(wěn)定性。數(shù)學(xué)模型:一維非線性保守方程組Pressure(Pa)Density(kg/m^3)Velocity(m/s)一維非線性保守方程組用于描述膨脹波與激波的傳播規(guī)律。該方程組包含三個基本方程，分別描述了流體壓力、密度和速度的變化。數(shù)學(xué)模型:方程組的基本假設(shè)連續(xù)性假設(shè)流體是連續(xù)介質(zhì)，不考慮分子間間隙，忽略分子熱運(yùn)動的影響。守恒假設(shè)質(zhì)量、動量和能量在流動過程中是守恒的，遵循質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒定律。熱力學(xué)假設(shè)流體符合熱力學(xué)基本定律，并滿足熱力學(xué)狀態(tài)方程。數(shù)學(xué)模型:方程組的求解方法特征線法特征線法是求解一階偏微分方程組的經(jīng)典方法，利用特征線沿著特征方向傳播的性質(zhì)，將偏微分方程組轉(zhuǎn)化為常微分方程組，從而簡化求解過程。有限差分法有限差分法是數(shù)值計(jì)算方法中的一種，通過將連續(xù)的偏微分方程離散化，將微分方程轉(zhuǎn)化為差分方程，從而得到數(shù)值解。有限體積法有限體積法是另一種數(shù)值計(jì)算方法，通過將計(jì)算區(qū)域劃分為有限個控制體積，對每個控制體積上的守恒方程進(jìn)行積分，從而得到數(shù)值解。數(shù)學(xué)模型:特征曲線法1求解偏微分方程組特征曲線法是一種求解一階偏微分方程組的經(jīng)典方法。它通過構(gòu)造特征曲線族來將偏微分方程轉(zhuǎn)化為常微分方程，從而簡化求解過程。2特征線方程特征線方程是描述特征曲線方向的方程，它由偏微分方程的系數(shù)確定。3黎曼不變量黎曼不變量是沿特征曲線保持不變的量，它可以用來簡化求解過程并得到問題的解。數(shù)值模擬:有限差分法1離散化將連續(xù)的偏微分方程轉(zhuǎn)化為離散方程2差分格式使用差分近似導(dǎo)數(shù)，如向前差分、向后差分3求解利用迭代或直接方法求解離散方程組數(shù)值模擬:人工粘性系數(shù)穩(wěn)定性人工粘性系數(shù)有助于穩(wěn)定數(shù)值模擬,避免解的震蕩.精度適宜的粘性系數(shù)可提高模擬精度,更接近真實(shí)物理現(xiàn)象.物理意義人工粘性系數(shù)模擬了流體內(nèi)部的粘性力,影響流體的運(yùn)動.數(shù)值模擬:TVD格式TotalVariationDiminishing(TVD)TVDschemesaredesignedtopreservethemonotonicityofsolutions,preventingtheintroductionofspuriousoscillations.High-ResolutionSchemesTVDmethodsofferhigheraccuracyandsharperresolutioncomparedtotraditionalfirst-orderschemes.ApplicationsTVDschemesarewidelyusedinshockcapturingproblems,suchassupersonicflowsandexplosions.工程應(yīng)用:超音速流動飛機(jī)設(shè)計(jì)超音速飛機(jī)需要考慮激波產(chǎn)生的影響，優(yōu)化機(jī)身和機(jī)翼形狀以降低阻力，提高燃油效率。發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)要考慮超音速流動的熱量和壓力變化，確保燃燒效率和推力輸出。材料選擇超音速飛行需要耐高溫、高壓和高應(yīng)力，需要選擇特殊材料來制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)和發(fā)動機(jī)部件。工程應(yīng)用:彈道軌跡預(yù)報(bào)彈道軌跡計(jì)算膨脹波和激波在彈道導(dǎo)彈飛行中發(fā)揮著重要作用，影響著導(dǎo)彈的飛行速度和姿態(tài)，以及最終的打擊精度。雷達(dá)跟蹤與預(yù)警利用對膨脹波和激波的模擬和分析，可以更準(zhǔn)確地預(yù)測導(dǎo)彈的飛行軌跡，為雷達(dá)跟蹤和預(yù)警提供更可靠的依據(jù)。導(dǎo)彈防御系統(tǒng)設(shè)計(jì)理解膨脹波和激波的特性，可以幫助設(shè)計(jì)更有效的導(dǎo)彈防御系統(tǒng)，提高攔截導(dǎo)彈的能力。工程應(yīng)用:爆炸破壞效應(yīng)評估結(jié)構(gòu)破壞爆炸沖擊波的壓力會造成建筑物、橋梁等結(jié)構(gòu)的破壞。人員傷亡爆炸產(chǎn)生的沖擊波和碎片會對人員造成傷害，甚至死亡。環(huán)境污染爆炸會產(chǎn)生大量的煙塵、氣體和碎片，造成環(huán)境污染。工程應(yīng)用:沖擊波防護(hù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沖擊波會對建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施造成巨大的破壞。針對不同類型的沖擊波，需要設(shè)計(jì)專門的防護(hù)結(jié)構(gòu)來減輕沖擊波的破壞力。材料選擇選擇具有高強(qiáng)度、高韌性和抗沖擊性能的材料來建造沖擊波防護(hù)設(shè)施，以最大程度地吸收和分散沖擊波的能量。防護(hù)措施采用緩沖材料、隔離層和減震裝置等措施，減弱沖擊波對目標(biāo)物的直接沖擊，保護(hù)目標(biāo)物免受損傷。實(shí)驗(yàn)研究:氣膜實(shí)驗(yàn)裝置氣膜實(shí)驗(yàn)裝置主要用于模擬和研究超音速飛行器在飛行過程中產(chǎn)生的氣膜現(xiàn)象。該裝置通常由高壓氣體源、噴嘴、測試段和測量系統(tǒng)組成。高壓氣體源提供高壓空氣，噴嘴將氣體加速到超音速，測試段用于觀察和測量氣膜的形成和發(fā)展過程，測量系統(tǒng)則記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)研究:爆炸實(shí)驗(yàn)裝置爆炸實(shí)驗(yàn)裝置用于模擬真實(shí)爆炸場景，研究爆炸波的傳播和對目標(biāo)物的破壞效應(yīng)。裝置通常包括：1.爆炸源：可使用炸藥或其他爆炸材料。2.靶場：可使用多種材料，如鋼板、混凝土、土方等。3.測量系統(tǒng)：可使用高精度傳感器，測量爆炸波的壓力、速度、溫度等參數(shù)。4.數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)：用于記錄和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)研究:可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果高速攝影高速攝影可捕捉瞬態(tài)現(xiàn)象，如激波傳播和氣體壓縮。施利倫法施利倫法利用光的折射，可視化密度變化，揭示激波和膨脹波結(jié)構(gòu)。激光多普勒測速儀激光多普勒測速儀用于測量流體速度，精確刻畫激波前后流場的變化。實(shí)驗(yàn)研究:與數(shù)值模擬對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供真實(shí)物理現(xiàn)象的驗(yàn)證，包括壓力、溫度、密度和速度等參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，膨脹波和激波的特征與數(shù)值模擬結(jié)果高度吻合，表明數(shù)值模型的有效性。數(shù)值模擬數(shù)值模擬可以對復(fù)雜流動現(xiàn)象進(jìn)行深入研究，包括難以用實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行測量的區(qū)域。數(shù)值模擬結(jié)果可以提供更完整的流場信息，幫助理解膨脹波和激波的相互作用以及傳播規(guī)律。前沿進(jìn)展:強(qiáng)激波-邊界層相互作用強(qiáng)激波與邊界層的相互作用是一個復(fù)雜而重要的研究領(lǐng)域，對航空航天器設(shè)計(jì)和氣動熱防護(hù)具有重要意義。近年來，研究人員致力于深入理解強(qiáng)激波-邊界層相互作用的物理機(jī)理，例如分離流、渦流生成和熱流分布等。數(shù)值模擬方法不斷發(fā)展，為研究強(qiáng)激波-邊界層相互作用提供了新的工具，例如高精度數(shù)值方案和湍流模型。前沿進(jìn)展:超高速飛行器設(shè)計(jì)氣動熱超高速飛行器在空氣中高速飛行時，與空氣摩擦產(chǎn)生高溫，需要特殊的隔熱技術(shù)。推進(jìn)系統(tǒng)超高速飛行器需要高效的推進(jìn)系統(tǒng)，例如超燃沖壓發(fā)動機(jī)或脈沖爆震發(fā)動機(jī)。結(jié)構(gòu)材料超高速飛行器需要耐高溫、高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料，例如碳纖維復(fù)合材料或陶瓷材料。前沿進(jìn)展:極端環(huán)境下的流動高超聲速飛行高超聲速飛行器在極端高溫、高壓環(huán)境下飛行，面臨著巨大的熱力學(xué)和氣動學(xué)挑戰(zhàn)。等離子體流動在高超聲速飛行條件下，空氣會發(fā)生電離，形成等離子體，給飛行器帶來新的復(fù)雜問題。多相流在極端環(huán)境下，氣體、液體、固體可能同時存在，需要研究多相流的復(fù)雜相互作用。課程總結(jié)深入理解本課程深入探討了膨脹波與激波的定義、特點(diǎn)、產(chǎn)生條件和傳播規(guī)律，以及相關(guān)工程應(yīng)用和前沿進(jìn)展。理論與實(shí)踐通過理論講解、數(shù)學(xué)建模、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，為學(xué)生提供全面的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。拓展知識激發(fā)學(xué)生對相關(guān)領(lǐng)域的研究興趣，為未來在航空航天、武器設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。文獻(xiàn)資料推薦《流體力學(xué)》這是一本經(jīng)典的流體力學(xué)教材，涵蓋了膨脹波與激波相關(guān)內(nèi)容。《計(jì)算流體力學(xué)》該書介紹了數(shù)值模擬方法，包括有限差分法和有限元法，可以用于研究膨脹波與激波的傳播?！侗Z物理學(xué)》這本專著深入探討了爆炸產(chǎn)生的沖擊波和膨脹波，并分析了其破壞效應(yīng)。課后思考題本節(jié)課我們學(xué)習(xí)了膨脹波與激波的定義、