ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Качественная картина из "Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений " Когда ударная волна распространяется по газу, занимающему большой объем, и размеры нагретой области очень велики по сравнению с длиной пробега света, так что температура газа мало меняется на расстояниях порядка длины пробега, тепловое излучение в объеме приходит в локальное термодинамическое равновесие с веществом. Излучение равновесно и непосредственно за фронтом ударной волны. [c.407] Плотность энергии и давление излучения становятся сравнимыми с плотностью энергии и давлением вещества только при чрезвычайно высоких температурах или чрезвычайно низких плотностях газа. Например, в воздухе нормальной плотности это происходит при температуре яг 2,7-10 ° К. В ударных волнах не столь большой амплитуды лучистые давление и энергия гораздо меньше давления и энергии вещества и потому почти не влияют на параметры за фронтом. Иной порядок имеет соотношение потоков энергии излучения и вещества, так как скорости ударных волн, с которыми реально приходится иметь дело, на много порядков меньше скорости света. Отношение потоков энергии аТ ЧОде ( изл/се) [сЮ), грубо говоря, в сЮ раз больше отношения плотностей энергии. Так, при О = 100 км/сек с/О = 3-10 В воздухе нормальной плотности, например, оба потока становятся одинаковыми уже при температуре 300 000° К, при которой плотность излучения еще очень мала. [c.407] Казалось бы, отвод энергии излучением от фронта ударной волны большой амплитуды должен играть важную роль, и в третье из ударных соотношений (7.4) следовало бы наряду с потоком энергии вещества включить и поток энергии, уносимой с поверхности фронта излучением 8 = аТ . Это существенным образом повлияло бы на конечное состояние за фронтом ударной волны, приводя к большему сжатию за фронтом, подобно тому как к большему сжатию ведет увеличение теплоемкости газа. На самом же деле потери энергии на излучение с поверхности фронта волны весьма ограничены и их эффект обычно незначителен. Дело в том, что в непрерывном спектре газы прозрачны лишь для сравнительно малых квантов. Атомы и молекулы сильно поглощают кванты, энергия которых превышает потенциал ионизации и которые вызывают фотоэффект, а молекулы, как правило, поглощают даже меньшие кванты например, граница прозрачности холодного воздуха лежит при X 2000 А /IV 6 эв. [c.407] При высокой температуре за фронтом энергия, заключенная в области малых частот, составляет лишь небольшую долю от полной энергии спектра. Так, при температуре за фронтом Г = 50 000° К в области прозрачности воздуха /IV 6 эв сосредоточено только 4,5% энергии планковского спектра. При этом малые кванты находятся в рэлей-джинсовской части спектра и их поток, т. е. возможные потери энергии, во всяком случае пропорциональны не четвертой, а только первой степени температуры. [c.407] Таким образом, существование теплового излучения мало сказывается на параметрах газа за фронтом ударной волны не слишком большой амплитуды. Другое дело — влияние излучения на внутреннюю структуру переходного слоя между начальным и конечным термодинамически равновесным состояниями газа, т. е. на строение самого фронта ударной волны. Здесь роль излучения в волнах больших (но представляющих реальный интерес) амплитуд оказывается чрезвычайно существенной и, более того, именно лучистым теплообменом определяется структура фронта. Задача о структуре фронта ударной волны с учетом лучистого теплообмена, которой посвящены 14—17 этой главы, была рассмотрена авторами в работах [42, 47—49]. Хотя поток излучения, уходящий с фронта волны на бесконечность , весьма мал и не оказывает никакого энергетического влияния на параметры ударной волны, тот факт, что он существует, имеет огромное значение, так как позволяет наблюдать волну оптическими методами. Вопрос о свечении ударной волны и яркости поверхности фронта тесно переплетается с вопросом о структуре фронта. Он будет рассмотрен в гл. IX. [c.408] Вследствие непрозрачности холодного газа, излучение, выходящее с поверхности ударного разрыва, в волнах большой амплитуды почти полностью поглощается перед разрывом, нагревая слои газа, втекающие в разрыв. Эта энергия, идущая на нагревание, черпается за счет высвечивания слоев газа, уже испытавших ударное сжатие, которые, следовательно, охлаждаются излучением. Эффект сводится, таким образом, к перекачиванию энергии из одних слоев газа в другие посредством излучения. Лучистый теплообмен разыгрывается на расстояниях, измеряемых длиной пробега квантов для поглощения. Обычно длина пробега квантов на несколько порядков больше газокинетического пробега частиц (см. гл. V) и больше ширины релаксационного слоя, где устанавливается термодинамическое равновесие в самом веществе. [c.408] в воздухе нормальной плотности длины пробега квантов с энергиями Ьу 10—100 эв, соответствующих температурам за фронтом Т1 10 —10 ° К, имеют порядок 10 -10-1 см, тогда как газокинетический пробег порядка 10- см. [c.408] Ширина фронта ударной волны, в которой лучистый теплообмен играет существенную энергетическую роль, определяется длиной пробега света — самым большим масштабом длины. В каком-то смысле можно говорить о релаксации излучения во фронте ударной волны, об установлении равновесия излучения с веществом за фронтом. [c.408] Проследим качественно, как меняется строение фронта при переходе от волн малой амплитуды к волнам большой амплитуды. При этом будем рассматривать явление в крупном масштабе , не интересуясь мелкомасштабными деталями, связанными с релаксацией в различных степенях свободы газа, т. е. полагая, что в каждой точке волны вещество находится в состоянии термодинамического равновесия. Вязкий скачок уплотнения вместе с релаксационной зоной за ним будем рассматривать как математический разрыв. [c.408] Профили температуры, плотности и давления в волне, отвечающие описанной картине, изображены схематически на рис. 7.23. [c.409] При некоторой температуре за фронтом Ту == Тк-р температура прогревания Г достигает величины Ту и профиль температуры приобретает вид, показанный на рис. 7.24. [c.409] Эта температура Гкр, равная примерно 300 000° К для воздуха, может быть названа критической, так как разделяет два существенно различных случая структуры фронта ударной волны. [c.409] Профили температуры и плотности в ударной волне сверхкритической амплитуды изображены на рис. [c.410] Однако, в отличие от докритиче-ского случая, толщина пика теперь меньше пробега излучения и уменьшается с возрастанием амплитуды волны (см. об этом 17). [c.410] В последующих параграфах набросанная здесь в общих чертах физическая картина будет обоснована математически. [c.410] Вернуться к основной статье