激波效應

在大氣中超聲速飛行的物體的光學頭罩與大氣之間發生劇烈的相互作用，頭罩周圍的氣體密度發生變化，由於流場的氣體折射率脈動或高温使探測窗變形，使光學成像系統中目標像的像差急劇增加，如畸變、模糊、偏移、跳動等，對光的傳輸造成影響，這種影響叫做氣動光學效應。激波效應是物體與大氣相互作用之後最先形成的氣動光學效應，激波會使光學系統產生離焦，光學傳遞函數產生畸變，進而圖像質量下降 ^[1]  。

水蒸氣在超音速流動過程中會產生核化凝結，並伴隨着凝結波的形成。當非平衡狀態的高速水蒸氣與激波相遇時，波陣面上蒸汽參數發生劇變，激波的耗散效應使得兩相流動速度瞬間減小，蒸氣温度驟然升高，大量微小的液滴急速蒸發。當激波作用於核化凝結區時，核化凝結減弱甚至消失，兩相流動將成單相流動 ^[2]  。

在流體力學中,表徵物理量急劇變化從而反映流場主要特徵的強間斷運動,尤其是激波(亦稱衝擊波)的運動是極其重要的。氣流主要參數發生顯著突躍的變化處,稱為激波。理想氣體的激波沒有厚度,是數學意義的不連續面實際氣體有粘性和傳熱性,這種物理性質使激波成為連續式的,不過其過程仍十分急驟。因此,實際激波是有厚度的,但數值十分微小,只有氣體分子自由程的某個倍數,波前的相對超音速馬赫數越大,厚度值越小。在激波內部有氣體與氣體之間的摩擦存在,使一部分機械能轉變為熱能。所以激波的出現意味着機械能的損失和波阻力的產生,即產生能量耗散效應。由於激波的厚度非常小,因此一般不對激波內部情況進行研究,所關係的是氣體流經激波前後的參數變化"氣體流經過激波時受到劇烈的壓縮,其壓縮過程非常迅速,可看做是絕熱的壓縮過程。

氣動激波就其形狀來分有正激波、斜激波、離體激波、圓錐激波等。

超音速流動在航空航天、電力、化工、製冷、核工業中有着極為廣泛的應用，近年來隨着利用低温、低壓熱源的噴射式熱泵的普及，現代核電站安全工程中蒸汽噴射泵顯現出良好的應用前景，帶TVC(蒸汽壓縮器)裝置的低温多效蒸發海水淡化技術(MED-TVC)的大力推廣，推動了人們對蒸汽超音速流動特性及發生在流動過程中的能量交換與相變過程對噴射器性能影響進行機理研究的要求和興趣 ^[3]  。

噴射器是依靠流體間的相互混合、撞擊、摩擦來傳遞能量的，其內部的流動過程非常複雜，存在超音速流動、湍流、卷吸混合、激波等極為複雜的流動現象。這些非平衡、非定常流動現象的發生，使得噴射器內部的流動過程變得非常複雜。流體在超音速流動中強烈的可壓縮性，會表現出與亞音速許多不同的特徵，尤其壓縮波或膨脹波的出現，對於流動參數會產生很大的影響。尤其在低温多效蒸發(LT-MED)海水淡化系統中，蒸汽噴射器(TVC)的工作狀態將影響整個系統的效率和造水比。因此在噴射器內開展蒸汽超音速流場的特徵分析、激波效應捕獲及激波耗散效應研究有着重要的理論意義和工程價值。