激波的传播与干扰

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1、力学进展,2016年,第46卷:201613激波的传播与干扰杨基明y李祝飞朱雨建翟志刚罗喜胜陆夕云中国科学技术大学近代力学系,合肥230027摘要激波的传播特性既取决于激波的产生条件,也与所处的传播环境密切相关.驱动条件、几何边界、介质的物理化学属性等发生变化时,都会引起激波传播特性的改变,而激波的变化反过来又会对其波及的流场产生影响.尽管激波传播及其干扰现象广泛存在于自然界和人类科技活动之中,其复杂机理的认识、规律的描述乃至应用潜力的挖掘仍有漫长的路要走.本文根据气体中激波传播和干扰现象以及与之相关的理论描述特征,在

2、对激波传播以及反射、折射等基本现象进行简要阐述的基础上,重点围绕目前的热点问题,包括激波/激波干扰、激波/边界层干扰、激波与湍流作用、激波的聚焦与点火以及激波作用下气体界面不稳定性等研究进行了介绍和讨论,旨在对近年来该领域的进展及获得的成果做一个概述和归纳,期望对将来的深入研究有一个鉴借意义.关键词激波传播,激波反射,激波/边界层相互作用,激波/界面相互作用,激波极线中图分类号:O357文献标识码:ADOI:10.6052/1000-0992-16-009收稿日期:2016-02-26;录用日期:2016-05-05;

3、在线出版日期:2016-05-09yE-mail:jmyang@ustc.edu.cn引用方式:杨基明,李祝飞,朱雨建,翟志刚,罗喜胜,陆夕云.激波的传播与干扰.力学进展,2016,46:201613YangJM,LiZF,ZhuYJ,ZhaiZG,LuoXS,LuXY.Shockwavepropagationandinteractions.AdvancesinMechanics,2016,46:201613°c2016《力学进展》版权所有542力学进展第46卷:2016131引言激波的传播及其与非均匀介质、复杂流动、

4、障碍物等相互作用现象在自然界和人类活动中广泛存在,鉴于其能量具有时空集中释放的特点,使之不论在和平利用还是军事攻防等方面都展现出特有的潜力和价值(Glass1975).因此,深入认识激波传播及其作用机理,正确把握其运动规律并加以有效利用,既可望为造福人类提供关键支撑和指导,也可能成为克敌制胜的智慧源泉.我们知道,平面运动激波在均匀介质的传播过程具有自持性,但一旦激波本身或传播的环境发生改变,包括驱动条件、几何边界、介质的物理化学以及运动等属性发生变化时,都会造成激波传播特性的改变,而激波的变化反过来又会对其波及的流场产

5、生影响.这种相互作用所产生的效果有时是让人敬畏的,例如通过采用合适的边界约束、固壁反射以及初始条件等产生内向汇聚的激波聚焦所获得高温、高压不仅可以达到点火燃烧(Tsang&Lifshitz1990)、体外碎石等威力(Chaussy1987),也是为数不多的可望满足核聚变所需初始起爆条件的途径之一(王淦昌和袁之尚1996);强激波无坚不摧的破坏力给安全防护方法和工程设计不断提出新的课题(朱建士等2010,乐嘉陵和倪鸿礼1999),而其神奇的创造力则又给新材料制备、物质在极端环境下的物理化学性质研究等提供了难得的机遇(Er

6、skin&Nellis1991);在以激波为重要特征的超声速流动中,减少波阻使得超声速飞行器构型明显有别于传统的亚声速飞行器(Andersonetal.1990,黄志澄1994,黄伟等2009),而由激波/边界层干扰、激波/激波干扰造成的流场品质恶化和热力载荷剧增等现象,可以说是目前高超声速飞行器研究所面临的最具挑战性难题之一(Dolling2001,姜宗林和俞鸿儒2009,Babinsky&Harvey2011).值得注意的是,激波所涉及的领域之宽,不仅仅只体现在上述诸多工程应用背景方面.鉴于其强非线性和间断性等特征

7、,激波不但成为数学经典问题之一(如黎曼问题,激波管问题),而且也是作为考核目前仍在不断发展的计算方法优劣的关键一环(如刘儒勋和舒其望2003);激波所特有的瞬间产生高温、高压等可控的参数设置环境也为诸如物理上的高温非平衡过程(Anderson2006)以及化学上的点火与延迟燃烧特性(Lee2008)等研究提供了独到的方法途径.因此,当人们发现在激波相关的学术活动中,数理化天地生等诸多领域专家学者参与时也就不足为奇了.历史上有不少科学巨匠涉足激波现象的探索,尽管有的大科学家所迈出的第一步未必正确.例如牛顿所提出的声速传播

8、速度关系实际上是与等温过程相对应,因而与实际观测结果存在约20%的差别,这一状况直到一个多世纪后的1816年Laplace纠正为绝热过程之后才得到彻底改观(BernardFinn1964),从而为快于声速传播的激波现象的认识及其理论描述(如Earmshaw1860)奠定了基础.杨基明,李祝飞,朱雨建,翟志刚,罗喜胜,陆夕云:激波的