충격파

Shock wave
"Shockwave"는 여기서 리다이렉트 됩니다.다른 용도는 충격파(동음이의)를 참조하십시오.
"폭탄쇼크"는 여기서 리다이렉트 됩니다.트랜스포머 캐릭터에 대해서는 마이크로마스터를 참조해 주세요.
날카로운 코를 가진 초음속 물체에 부착된 충격의 슐리렌 사진
1984년 푸에르토리코에서 훈련 중 아이오와호가 측면으로 총격을 가했다.포 사격으로 팽창하는 구형 대기 충격파가 수면과 만나는 곳에 원형 자국이 보인다.

물리학에서 충격파(shock wave라고도 함)는 전파 장애의 일종으로 매체의 음속보다 빠르게 움직입니다.일반 파동과 마찬가지로 충격파는 에너지를 전달하고 매체를 통해 전파될 수 있지만 [1][2][3][4][5][6]매체의 압력, 온도 및 밀도가 갑작스럽고 거의 불연속적인 것이 특징입니다.

비교를 위해 초음속 흐름에서는 확장 팬(프란틀-마이어 확장 팬이라고도 함)을 통해 추가적인 확장을 달성할 수 있습니다.동반된 팽창파가 접근하여 결국 충격파와 충돌하고 재결합하여 파괴적인 간섭 과정을 발생시킬 수 있습니다.초음속 항공기의 통과와 관련된 소닉붐은 건설적인 간섭에 의해 생성되는 음파의 일종이다.

솔리톤(또 다른 종류의 비선형파)과 달리 충격파의 에너지와 속도만 거리에 따라 상대적으로 빠르게 소멸됩니다.충격파가 물질을 통과할 때 에너지는 보존되지만 엔트로피는 증가한다.물질의 특성 변화는 그 자체로 작업으로 추출할 수 있는 에너지의 감소와 초음속 물체에 대한 견인력으로 나타난다. 충격파는 강하게 되돌릴 수 없는 과정이다.

용어.

충격파는 다음과 같습니다.

보통의
충격 매체의 흐름 방향과 90°(수직)에서.
비스듬히
흐름 방향에 대한 각도로.
절하다
업스트림 유속이 마하1을 넘었을 때에, 둔탁한 물체의 전면(보우)의 업스트림에 발생합니다.

기타 용어:

  • 충격 전면:충격파로 인해 물리적 조건이 급변하는 경계입니다.
  • 연락처 전면:드라이버 가스에 의한 충격파(예: 주변 공기에 대한 고폭약의 "충격")에서는 드라이버(폭발 제품)와 구동(공기) 가스 사이의 경계.접촉 전선은 충격 전선을 따라갑니다.

초음속 흐름에서

초음속 물체가 관측자를 통과하여 전파되는 경우 외부 관측 지점의 압력 시간 다이어그램.물체의 앞쪽 가장자리는 충격을 일으키고(왼쪽, 빨간색), 물체의 뒤쪽 가장자리는 팽창을 일으킵니다(오른쪽, 파란색).
노란색으로 표시된 쌍곡선 모양의 접지 구역이 있는 원추형 충격파

충격파를 특징짓는 매체의 특징의 갑작스러운 변화는 상전이로 볼 수 있다: 초음속 물체의 전파 압력-시간 다이어그램은 충격파에 의해 유도되는 전이가 동적 상전이와 어떻게 유사한지를 보여준다.

물체(또는 교란)가 정보가 주변 유체로 전파되는 속도보다 더 빠르게 움직이면 교란 근처의 유체는 교란이 발생하기 전에 반응하거나 "비켜질" 수 없습니다.충격파에서는 유체의 특성(밀도, 압력, 온도, 유속, 마하 수)이 [7]거의 순식간에 변화합니다.공기 중 충격파의 두께를 측정한 결과 가스 분자의 평균 자유 경로와 같은 크기인 약 200 nm(약−5 10 in)[8]의 값이 나왔습니다.연속체와 관련하여, 이는 각각 흐름장이 2차원 또는 3차원일 경우 충격파를 선 또는 평면 중 하나로 취급할 수 있음을 의미한다.

충격파는 압력전선이 초음속으로 움직이면서 주변 [9]공기를 밀어낼 때 형성된다.이러한 현상이 발생하는 영역에서는 흐름을 역행하는 음파가 더 이상 상류로 이동할 수 없는 지점에 도달하여 해당 영역에 압력이 점차적으로 축적되어 고압충격파가 급속히 형성된다.

충격파는 일반적인 음파가 아닙니다.충격파는 기체 성질에 매우 급격한 변화의 형태를 취합니다.공기 중의 충격파는 큰 "크랙" 또는 "찰칵" 소음으로 들립니다.긴 거리에 걸쳐 충격파는 비선형파에서 선형파로 변화할 수 있으며 공기를 가열하고 에너지를 잃으면 기존의 음파로 변질될 수 있습니다.음파는 흔히 초음속 비행에 의해 만들어지는 소닉 붐의 친숙한 "쿵" 또는 "쿵"으로 들린다.

충격파는 초음속 흐름의 가스를 압축할 수 있는 몇 가지 다른 방법 중 하나입니다.다른 방법으로는 Prandtl-Meyer 압축을 포함한 등엔트로픽 압축이 있습니다.기체의 압축 방법은 비반응 기체에 대해 분석적으로 계산할 수 있는 특정 압력 비율에 대해 온도와 밀도가 서로 다릅니다.충격파 압축은 총 압력 손실을 초래하며, 이는 스크램제트 흡입 등 일부 목적을 위해 가스를 압축하는 방법이 덜 효율적이라는 것을 의미합니다.초음속 항공기에 압력 드래그가 나타나는 것은 대부분 흐름에 대한 충격 압축의 영향 때문이다.

통상적인 충격

이상기체를 이용한 기초유체역학에서 충격파는 충격이 통과할수록 엔트로피가 급격히 증가하는 불연속체로 취급한다.유체 흐름이 불연속적이지 않기 때문에 충격파 주위에 제어 부피가 형성되며, 이 부피를 결합하는 제어 표면은 충격파와 평행하게 된다(유체 매체의 충격 전 측에 1개, 충격 후 측에 1개).두 표면은 매우 작은 깊이로 분리되어 있어 충격 자체가 그 사이에 완전히 포함됩니다.이러한 제어 표면에서는 운동량, 질량 플럭스 및 에너지가 일정합니다. 연소 중에는 충격파를 통한 열 도입으로 폭발을 모델링할 수 있습니다.시스템은 단열 상태이며(열은 시스템에서 배출되지 않고 시스템에 유입되지 않으며) 작업이 수행되고 있지 않은 것으로 가정합니다.랭킨호휴고니오트 조건은 이러한 고려사항에서 비롯된다.

하류 특성이 아음속이 되는 시스템에서 확립된 가정을 고려하면, 유체의 상류 및 하류 흐름 특성은 등엔트로픽으로 간주됩니다.시스템 내 총 에너지량은 일정하기 때문에 두 영역 모두에서 정체 엔탈피가 일정하게 유지됩니다.그러나 엔트로피는 증가하고 있습니다.이것은 하류 유체의 정체 압력의 저하로 설명되어야 합니다.

기타 충격

경사 충격

아직 몸에 부착되어 있는 흐름장의 충격파를 분석할 때 흐름 방향에서 임의의 각도로 벗어난 충격파를 경사 충격파라고 한다.이러한 충격에는 흐름의 성분 벡터 분석이 필요합니다. 이렇게 하면 비스듬한 충격에 대한 직교 방향의 흐름을 정상적인 충격으로 처리할 수 있습니다.

활충격

표면에 남아 있을 수 없는 각도로 경사 충격이 발생할 가능성이 높으면 충격파가 몸 주위에 연속 패턴을 형성하는 비선형 현상이 발생한다.이를 활 충격이라고 합니다.이 경우 1d 흐름 모델은 유효하지 않으며 표면에 가해지는 압력력을 예측하기 위해 추가 분석이 필요하다.

비선형 경사로 인한 충격파

충격파는 일반적인 파도의 경사로 인해 형성될 수 있다.이 현상의 가장 잘 알려진 예는 해안에서 브레이커를 형성하는 바다의 파도이다.얕은 물에서 표면파의 속도는 물의 깊이에 따라 달라진다.들어오는 해파는 수심에 비해 파고가 미미하지 않기 때문에 각 파의 산봉우리 부근에서 파도의 속도가 물결 사이의 기압골 부근보다 약간 높다.볏은 파도의 앞 가장자리가 수직면을 형성하고 파도의 에너지를 소리와 열로 소멸시키는 난류 충격(차단기)을 형성할 때까지 기압골을 추월합니다.

유사한 현상은 음속의 온도와 압력에 의존하기 때문에 가스나 플라즈마 내의 강한 음파에 영향을 미칩니다.강한 파도는 공기 자체의 단열 압축으로 인해 각 압력 전선 근처의 매체를 가열하여 고압 전선이 해당 압력 트로프를 앞지릅니다.트롬본과 같은 금관악기의 음압 수준은 급경사가 일어날 정도로 높아져 [10]악기의 밝은 음색 중 필수적인 부분을 형성한다는 이론이 있다.이 과정에 의한 충격 형성은 보통 지구 대기에서 닫히지 않은 음파에서는 일어나지 않지만, 태양 내부로부터 전파되는 파동을 통해 태양 채권과 코로나를 가열하는 하나의 메커니즘으로 생각됩니다.

유사점

충격파는 물체의 접근에 대해 "알고 있는" 움직이는 물체의 상류에서 가장 먼 점으로 묘사될 수 있다.이 설명에서 충격파 위치는 충격 구동 사건에 대한 정보가 없는 구역과 충격 구동 사건을 인식하는 구역 사이의 경계로 정의되며, 이는 특수 상대성 이론에서 기술된 광원추와 유사하다.

충격파를 생성하려면 특정 매체의 물체(공기나 물 등)가 현지 음속보다 더 빨리 이동해야 합니다.고속 아음속으로 이동하는 항공기의 경우, 항공기 주변의 공기 영역은 음속의 정확한 속도로 이동할 수 있으며, 이는 항공기에서 나오는 음파가 고속도로의 교통 체증과 유사하게 서로 축적되도록 할 수 있다.충격파가 형성되면 국소 기압이 상승하여 옆으로 퍼지게 됩니다.이 증폭 효과로 인해 충격파는 매우 강렬할 수 있으며, 멀리서 들리는 폭발음에 가깝다(폭발이 충격파를 생성하기 때문에 우연이 아니다).

유사한 현상은 유체역학 밖에서도 알려져 있다.예를 들어, 굴절 매질에서 빛의 속도 이상으로 가속된 입자는 체렌코프 방사선으로 알려진 현상인 가시적인 충격 효과를 일으킨다.

현상 유형

다음은 유사한 충격 현상과 함께 광범위하게 분류된 충격파의 여러 가지 예입니다.

폭발의 불덩어리보다 먼저 정지된 매체로 전파되는 충격파입니다.충격은 그림자 효과(트리니티 폭발)로 볼 수 있습니다.

무빙 쇼크

  • 일반적으로 정지된 매체로 전파되는 충격파로 구성됩니다.
  • 이 경우 충격 앞의 가스는 (실험실 프레임에서) 정지 상태이고 충격 뒤의 가스는 실험실 프레임에서 초음속이 될 수 있습니다.충격은 (직각으로) 정상적인 파면으로 흐름 방향으로 전파됩니다.충격 속도는 두 가스체 사이의 원래 압력 비율의 함수입니다.
  • 이동 충격은 보통 다른 압력의 두 가스 본체의 상호작용에 의해 발생하며, 충격파는 낮은 압력 가스로 전파되고 팽창파는 높은 압력 가스로 전파됩니다.
  • 예: 풍선 터짐, 충격관, 폭발 충격파

폭발파

주요 기사:폭발
  • 폭발파는 본질적으로 후행 발열 반응에 의해 지지되는 충격이다.여기에는 산소-메탄 혼합물이나 고폭약과 같이 가연성이 높거나 화학적으로 불안정한 매체를 통과하는 파동이 포함됩니다.매질의 화학반응은 충격파에 이어 일어나며, 반응의 화학에너지가 파동을 앞으로 몰고 간다.
  • 폭발파는 충격파 전방 뒤에서 일어나는 화학 반응에 의해 구동되기 때문에 일반적인 충격과는 약간 다른 규칙을 따릅니다.가장 간단한 폭발 이론에서는 지지되지 않는 자기 전파 폭발파가 채프먼-주게 유속으로 진행됩니다.폭발은 또한 폭발에 의해 유발되는 과압으로 인해 주변 공기로 충격을 전파시킨다.
  • TNT(폭발속도 6900m/s)와 같은 고폭발물에 의해 충격파가 생성되면 항상 원점에서 초음속으로 고속으로 이동한다.
1887년 에른스트 마하와 피터 살처가 발표한 초음속 비행 중 총알에 떨어진 충격의 슐리렌 사진.
소총에서 발사된 초음속 탄환의 충격파의 그림자그램.섀도우그래프 광학 기술은 총알이 마하 1.9의 속도로 움직이고 있음을 보여준다.좌우로 흐르는 활과 꼬리 물결은 총알에서 역류하고 격랑도 보인다.오른쪽 끝의 무늬는 소총에서 분출된 연소되지 않은 화약 입자에서 나온 것입니다.

활 충격(디테일 충격)

주요 기사:활 충격(공기역학)
  • 이러한 충격은 구부러지고 몸 앞에서 약간의 거리를 형성합니다.몸 바로 앞에서, 그들은 다가오는 흐름에 대해 90도 각도로 서 있고 그리고 나서 몸 주위를 휘어집니다.분리된 충격은 부착된 충격과 동일한 유형의 분석 계산을 통해 충격 근처의 흐름을 계산할 수 있습니다.뭉툭한 몸통 앞에 있는 충격의 거리를 지배하는 규칙이 복잡하고 몸매의 함수이기 때문에 그들은 계속 관심의 대상이다.또한 이상적이지 않은 가스의 온도에 따라 쇼크 스탠드오프 거리가 크게 달라져 차량의 열 보호 시스템으로의 열 전달에 큰 차이가 발생합니다.대기권 재진입 시 이 항목에 대한 자세한 내용을 참조하십시오.이는 해석식의 "강력 충격" 해법을 따르며, 이는 편향 각도 한계에 매우 가까운 일부 경사 충격의 경우 하류 마하 수치가 아음속임을 의미한다.'활 충격' 또는 '사선 충격'을 참조하십시오.
  • 이러한 충격은 최대 편향 각도를 초과할 때 발생합니다.분리 충격은 둔기에 흔히 나타나지만 마하 수치가 낮은 날카로운 신체에도 나타날 수 있다.
  • 예: 우주 귀환 차량(아폴로, 우주왕복선), 탄환, 자기권 경계(Bow shock)"보우 쇼크"라는 이름은 느린 표면파 속도가 쉽게 초과되는 배나 보트의 뱃머리(전방)에 발생하는 분리 충격인 활 파동의 예에서 유래했다(해면파 참조).

부속 충격

  • 이러한 충격은 초음속으로 움직이는 날카로운 물체의 끝에 부착된 것처럼 보입니다.
  • 예:정점이 작은 초음속 웨지와 원추형입니다.
  • 부착된 충격파는 공기역학에서 전형적인 구조입니다. 완벽한 기체 및 비점시 흐름장을 위해 압력비, 온도비, 쐐기 각도 및 다운스트림 마하 수치를 모두 알 수 있는 분석 솔루션을 사용할 수 있기 때문입니다.충격각이 작을수록 업스트림 마하수가 높아지며, 충격파가 다가오는 흐름에 대해 90°인 특수한 경우(통상 충격)는 마하수가 1인 것과 관련이 있다.이것들은 분석 방정식의 "약충격" 해법을 따른다.

세밀한 흐름의 고속화

충격파는 또한 경사 채널이나 경사면을 따라 고밀도 입상 물질의 빠른 흐름에서도 발생할 수 있다.빠른 밀도 입상 흐름의 강한 충격은 이론적으로 연구되고 실험 데이터와 비교하기 위해 분석될 수 있다.슛을 따라 빠르게 이동하는 물질이 길고 가파른 채널의 끝에 수직으로 세워진 장애벽에 충돌하는 구성을 고려합니다.이 영향으로 흐름 상태가 빠르게 이동하는 초임계 박층에서 정체된 두꺼운 힙으로 급변합니다.이 흐름 구성은 특히 초임계 흐름에서 아임계 흐름으로의 흐름 상태 변경과 관련된 유압 및 공기역학적 상황과 유사하기 때문에 매우 흥미롭습니다.

천체물리학에서

주요 기사:천체 물리학의 충격파

천체물리학적 환경은 많은 다른 종류의 충격파를 특징으로 한다.일반적인 예로는 초신성 충격파나 성간 매체를 통과하는 폭발파, 지구의 자기장이 태양풍과 충돌할 때 발생하는 활 충격파, 은하가 서로 충돌할 때 발생하는 충격파가 있다.천체물리학에서 또 다른 흥미로운 유형의 충격은 젊은 맥동으로부터 나오는 초상대론적 바람을 끝내는 준안정적인 역충격 또는 종단충격이다.

운석 진입 이벤트

유성 충격파로 인한 피해입니다.

충격파는 유성체가 지구 [11]대기에 진입할 때 발생한다.퉁구스카 사건과 2013년 러시아 운석 사건은 거대한 유성체가 만들어내는 충격파의 가장 좋은 증거이다.

2013년 운석이 히로시마에 투하된 원자폭탄의 수십 배인 100킬로톤 이상의 에너지 방출로 지구 대기권에 진입했을 때, 이 운석의 충격파는 초음속 제트기의 플라이바이(운석 경로 바로 아래)와 같은 피해를 입히고 순환하면서 폭발파로 작용했다.r 운석 폭발을 중심으로 한 충격파로 첼랴빈스크 시와 인근 지역에서 유리 깨짐 사고가 여러 번 발생했다(사진).

테크놀로지 응용 프로그램

아래 예에서 충격파는 (예: 에어포일) 또는 터빈과 같은 기술 장치의 내부에서 제어됩니다.

재압축 충격

트랜소닉 플로우 에어포일의 재압축 충격(임계 마하 수치 이상).
  • 이러한 충격은 천음속 차체를 통과하는 흐름이 아음속으로 감속될 때 발생합니다.
  • 예:천음속 날개, 터빈
  • 트랜조닉 윙의 흡입 측을 통과하는 흐름이 초음속으로 가속되는 경우, 결과적인 재압축은 프란틀-마이어 압축 또는 정상 충격의 형성에 의해 이루어질 수 있다.이 충격은 트랜소닉 디바이스 제조사에 특히 중요합니다.왜냐하면 트랜소닉 프로파일에 닿는 지점에서 경계층이 분리될 수 있기 때문입니다.그러면 완전한 분리 및 프로파일 정지, 높은 항력 또는 쇼크 버퍼(분리 및 충격이 공진 상태에서 상호 작용하여 기초 구조물에 공진 하중을 발생시키는 상태)가 발생할 수 있습니다.

파이프 흐름

  • 이 충격은 파이프 내의 초음속 흐름이 감속될 때 나타난다.
  • 예:
  • 이 경우 충격 앞의 가스는 초음속(실험실 프레임 내)이고 충격 시스템 뒤의 가스는 초음속(사각 충격) 또는 아음속(정상 충격)입니다(편향 각도 한계에 매우 가까운 일부 경사 충격의 경우, 하류 마하 수치는 아음속입니다).충격은 수렴 덕트에 의한 가스 감속 또는 평행 덕트 벽면의 경계층 성장에 의한 결과입니다.

연소 기관

웨이브 디스크 엔진('방사형 내연파 로터'라고도 함)은 충격파를 이용해 고에너지 유체 간에 에너지를 전달함으로써 저에너지 유체의 온도와 압력을 모두 증가시키는 피스톤리스 회전 엔진입니다.

메모리리스터

멤리스터의 경우 외부에서 인가되는 전기장 하에서는 충격파가 전이 금속 산화물 전체에 걸쳐 발사되어 빠르고 비휘발성적인 저항률 [12]변화를 일으킬 수 있습니다.

충격 포착 및 감지

Two planes on a blue background
NASA는 2019년에 두 항공기 간에 상호작용하는 충격파의 첫 번째 슐리렌 사진을 찍었다.

충격파를 포착하고 수치 계산과 실험 [13][14][15][16][17][18][19]관측 모두에서 충격파를 검출하기 위해서는 고급 기술이 필요하다.

컴퓨터 유체 역학은 충격파가 있는 흐름장을 얻기 위해 일반적으로 사용됩니다.충격파는 급격한 불연속성이지만, 불연속성이 있는 유체 흐름의 수치해(충격파, 접촉 불연속 또는 슬립 라인)에서는 충격파가 낮은 수치법으로 평활되거나(수치적 산실로 인해) 높은 수치법으로 충격 표면 부근에 스플리어스 진동이 발생한다(Gibs로 인해).현상[20]).

충격파 이외에 유체 흐름에는 몇 가지 불연속성이 존재합니다.슬립 표면(3D) 또는 슬립 선(2D)은 접선 속도가 불연속인 반면 압력과 정상 속도는 연속적인 평면입니다.접점 불연속부에 걸쳐 압력과 속도는 연속적이며 밀도는 불연속적입니다.강한 팽창파 또는 전단층은 불연속인 것처럼 보이는 고구배 영역을 포함할 수도 있다.이러한 흐름 구조 및 충격파의 몇 가지 공통적인 특징과 수치 및 실험 도구의 불충분한 측면은 실무에서 두 가지 중요한 문제를 야기한다. (1) 일부 충격파는 검출할 수 없거나 위치가 잘못되었다. (2) 충격파가 아닌 일부 흐름 구조는 충격파로 잘못 검출된다.

실제로 충격파는 다음과 같은 영향을 미치기 때문에 충격파의 정확한 포착 및 검출이 중요합니다. (1) 스크램젯 엔진 성능과 관련된 문제일 수 있는 총 압력 손실을 야기하고 (2) 차량 하단 표면의 사선 충격파가 높은 압력을 발생시킬 수 있으므로 웨이브 라이더 구성을 위한 리프트를 제공합니다.리프트 생성, (3) 차량 성능에 유해한 고속 차량의 파동 항력으로 이어지는 (4) 심한 압력 부하 및 열 유속을 유도하는 (4) 예를 들어, IV 충격 간섭은 차량 표면에서 17배의 가열 증가를 야기할 수 있으며 (5) 경계층과 같은 다른 구조물들과 상호작용하여 새로운 흐름 스트럭을 생성한다.흐름의 분리, 이행 등

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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