引言
發(fā)射于1977年的旅行者1號(hào)探測(cè)器傳回了有關(guān)太陽(yáng)系外圍弓形激波的信息。太陽(yáng)系在星際空間中移動(dòng)形成一個(gè)由氣體、塵埃構(gòu)成的弧形區(qū)域，這就像在飛機(jī)機(jī)翼前氣流堆積形成的弓形結(jié)構(gòu)。激波，這個(gè)自宇宙爆炸生成之初就存在的神秘現(xiàn)象，至今吸引并困擾著相關(guān)學(xué)者。
圖1 旅行者1號(hào)太空拍攝照片
01 激波的產(chǎn)生
激波，又稱沖擊波，是指在氣體、液體和固體介質(zhì)中，應(yīng)力/壓強(qiáng)、密度和溫度等物理量在波陣面上發(fā)生突躍變化的壓縮波。
在常見的氣體擾動(dòng)現(xiàn)象中，如車輛行駛、飛機(jī)飛行遷移、汽車氣缸活塞高速推行，擾動(dòng)通常以波的形式按當(dāng)?shù)芈曀傧蛲鈧鞑ァ．?dāng)物體移動(dòng)速度高于擾動(dòng)傳播，擾動(dòng)波發(fā)生堆積，在物體頭緣附近形成集中的強(qiáng)擾動(dòng)，并出現(xiàn)一個(gè)壓縮過(guò)程的界面，即激波，而由物體產(chǎn)生的小擾動(dòng)無(wú)法穿越激波傳播到上游，如同現(xiàn)實(shí)生活中汽車在街口等紅燈時(shí)，后到的車輛也會(huì)堆積在停止線之前，而非直接穿越停止線；流場(chǎng)中的宏觀物理量如速度、溫度在激波前后不連續(xù)，就像車流在停止線前后也會(huì)發(fā)生間斷一樣。
圖2 風(fēng)洞激波實(shí)驗(yàn)
激波現(xiàn)象在生活中十分常見，超音速繞體、管流以及間斷傳播（爆炸、爆震）等問題中都會(huì)出現(xiàn)激波。激波產(chǎn)生之后，機(jī)械能耗損轉(zhuǎn)化為熱能，于是出現(xiàn)了新型阻力——波阻，并使傳熱問題變得嚴(yán)重。
激波可分為正激波和斜激波兩種。氣流方向和激波面正交的稱之為正激波，如活塞管內(nèi)氣體推進(jìn)；氣流方向和激波面斜交的則稱為斜激波，如超音速戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼上的繞流問題。激波的產(chǎn)生，造成了波峰前后物理量跳躍式變動(dòng)，壓強(qiáng)急劇增高，氣體液化，阻力增大，壓力脈動(dòng)，甚至對(duì)物體結(jié)構(gòu)形成破壞。
圖3 音障實(shí)景
02 激波的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)
激波的主流研究方式有兩種：實(shí)驗(yàn)觀測(cè)與數(shù)值模擬仿真。就實(shí)驗(yàn)方法而言，由于激波肉眼并不可見，其觀測(cè)難度很大，通常只能通過(guò)空氣密度梯度改變導(dǎo)致的折射率變化拍攝下激波的樣子，即所謂的紋影成像技術(shù)。最近，NASA發(fā)明了以太陽(yáng)光為光源拍攝真實(shí)飛機(jī)激波的方法，叫做背景導(dǎo)向紋影(BOS)，已經(jīng)在風(fēng)洞試驗(yàn)中獲得巨大成功。在該方法中，研究人員首先獲得一個(gè)斑點(diǎn)背景圖案的圖像，并收集一個(gè)位于相同圖案前方超音速流動(dòng)內(nèi)物體的一系列圖像，然后從這個(gè)背景圖案的扭曲中看到激波。如果將紅外紋影攝像機(jī)，結(jié)合被動(dòng)光學(xué)測(cè)距技術(shù)，就可對(duì)隱身飛機(jī)進(jìn)行有效定位，多個(gè)紋影攝像機(jī)連接成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，就能對(duì)隱身飛機(jī)進(jìn)行持續(xù)跟蹤。
圖4 NASA風(fēng)洞觀測(cè)激波（1）
圖5 NASA風(fēng)洞觀測(cè)激波（2）
03 激波的數(shù)值模擬仿真
實(shí)驗(yàn)研究本身受實(shí)驗(yàn)條件和費(fèi)用所限，往往研究覆蓋面不廣。由此，學(xué)術(shù)界針對(duì)激波的研究工作漸漸向理論及數(shù)值模擬仿真CFD方法轉(zhuǎn)移延伸。但鑒于激波本身是一個(gè)物理量高度非線性的瞬態(tài)過(guò)程，能準(zhǔn)確捕捉和描述激波全貌仍舊是CFD所面臨的挑戰(zhàn)之一。
在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)中, 一般認(rèn)為激波是沒有厚度的, 波前參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ê髤?shù)是突變的，因此描述激波的方式通常只能停留在對(duì)波前波后的物理量求解，并不能為激波本身建模。然而, 通過(guò)上述風(fēng)洞試驗(yàn)成結(jié)果，我們可以看到，激波實(shí)際是一個(gè)有厚度的薄層，只是厚度非常小，需以分子自由程計(jì)算。在這層薄層中，速度、溫度等物理量非常迅速地從激波前的數(shù)值變換到激波后的數(shù)值。速度梯度和溫度梯度很大使得摩擦和熱傳導(dǎo)變得十分劇烈，因此在薄層內(nèi)還需要考慮分子熱運(yùn)動(dòng)。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，激波內(nèi)流體已不能采用連續(xù)介質(zhì)模型，而必須當(dāng)作稀薄氣體處理。
近年來(lái)，基于Boltzmann分子動(dòng)力學(xué)理論的研究方法在CFD中異軍突起，以直接在速度分布函數(shù)的水平上描述氣體分子的行為為切入點(diǎn)，建立分子碰撞模型，并推演到宏觀物理量，如氣體對(duì)壁面的壓力就是由各個(gè)分子與器壁碰撞將動(dòng)量傳遞給后者而產(chǎn)生的。甚至隨著電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用和性能的迅速提高,從流動(dòng)物理出發(fā)的直接模擬方法（DSMC，Direct Simulation Monte Carlo）也逐漸發(fā)展起來(lái)。
圖6 分子運(yùn)動(dòng)碰撞模型
圖7 Boltzmann分子熱運(yùn)動(dòng)輸運(yùn)方程
圖8 基于分子動(dòng)力學(xué)的CFD
基于上述機(jī)理，分子動(dòng)力學(xué)方法成為解決極端特殊流體問題的手段之一，被越來(lái)越多地應(yīng)用到實(shí)際工程領(lǐng)域中。這其中涌現(xiàn)出了很多優(yōu)秀的流體力學(xué)仿真軟件，如汽車行業(yè)知名流體軟件Powerflow，空氣動(dòng)力學(xué)軟件Aries等等。
此外，分子動(dòng)力學(xué)自誕生之日起就對(duì)其研究者提出了挑戰(zhàn), 要面對(duì)難于求解的積分微分方程，要面對(duì)介質(zhì)內(nèi)部分子水平上的變化以及邊界條件的提法等問題。40 余年來(lái), 稀薄氣體動(dòng)力學(xué)發(fā)展的特征是其解題方法的新穎和豐富，間斷速度方法、Monte Carlo求積法、模型方程方法就是例證。DSMC方法則是與Boltzmann方程同樣重要而又能解決實(shí)際問題的方法。
面對(duì)航天探索更遠(yuǎn)地深入宇宙, 微米系統(tǒng)向納米發(fā)展, 微型飛行器要求探索全新參數(shù)范圍內(nèi)的升力阻力機(jī)制，新的材料工藝要求掌握和控制金屬蒸汽、等離子體在電磁場(chǎng)中的行為等等新的工程難題，我們相信分子動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用前景將更為開闊。
圖9 Aries算例-MIR國(guó)際空間站計(jì)算結(jié)果（速度云圖）
圖10 Aries算例-飛航導(dǎo)彈激波捕捉（1）
圖11 Aries算例-飛航導(dǎo)彈激波捕捉（2）
圖12 Aries算例-超音速進(jìn)氣道斜激波模擬
圖13 Aries算例-Apollo返回艙再入大氣過(guò)程仿真
參考文獻(xiàn)
1、吳望一. 流體力學(xué)[M]. 北京大學(xué)出版社,2006.
2、沈青. 稀薄氣體動(dòng)力學(xué)[M]. 國(guó)防工業(yè)出版社. 2002.
3、曾根良夫, 青木一生. 分子氣體力學(xué)[M].朝倉(cāng)書店,1994
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本文標(biāo)題：分子動(dòng)力學(xué)：揭開神秘激波現(xiàn)象的不二利器
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