Onde de choc - Shock wave

Schlieren photographie d'un choc attaché sur un corps supersonique au nez pointu
USS Iowa tirant une bordée lors d'exercices d'entraînement à Porto Rico, 1984. Des marques circulaires sont visibles à l'endroit où les ondes de choc atmosphériques sphériques en expansion provenant du tir des armes à feu rencontrent la surface de l'eau.

En physique, une onde de choc (également orthographiée shockwave ), ou shock , est un type de perturbation qui se propage plus rapidement que la vitesse locale du son dans le milieu. Comme une onde ordinaire, une onde de choc transporte de l'énergie et peut se propager à travers un milieu, mais se caractérise par un changement brusque, presque discontinu, de pression , de température et de densité du milieu.

À des fins de comparaison, dans les écoulements supersoniques, une expansion accrue supplémentaire peut être obtenue grâce à un ventilateur d'expansion , également connu sous le nom de ventilateur d'expansion de Prandtl-Meyer . L'onde d'expansion qui l'accompagne peut s'approcher et éventuellement entrer en collision et se recombiner avec l'onde de choc, créant un processus d'interférence destructrice. Le bang sonique associé au passage d'un avion supersonique est un type d'onde sonore produite par interférence constructive.

Contrairement aux solitons (un autre type d'onde non linéaire), l'énergie et la vitesse d'une onde de choc seule se dissipe relativement rapidement avec la distance. Lorsqu'une onde de choc traverse la matière, l' énergie est conservée mais l' entropie augmente. Ce changement dans les propriétés de la matière se manifeste par une diminution de l'énergie qui peut être extraite sous forme de travail, et par une force de traînée sur les objets supersoniques ; les ondes de choc sont des processus fortement irréversibles .

Terminologie

Les ondes de choc peuvent être :

Normal
À 90° (perpendiculairement) au sens d'écoulement du fluide de choc.
Oblique
À un angle par rapport à la direction du flux.
Arc
Se produit en amont de l'avant ( arc ) d'un objet contondant lorsque la vitesse d'écoulement en amont dépasse Mach 1.

Quelques autres termes :

  • Front de choc : La limite sur laquelle les conditions physiques subissent un changement brusque en raison d'une onde de choc.
  • Front de contact : Dans une onde de choc provoquée par un gaz conducteur (par exemple "l'impact" d'un explosif sur l'air environnant), la frontière entre le conducteur (produits explosifs) et les gaz entraînés (air). Le front de contact traîne le front de choc.

Dans les flux supersoniques

Diagramme pression-temps à un point d'observation externe pour le cas d'un objet supersonique se propageant au-delà de l'observateur. Le bord d'attaque de l'objet provoque un choc (à gauche, en rouge) et le bord de fuite de l'objet provoque une expansion (à droite, en bleu).
Onde de choc conique avec sa zone de contact au sol en forme d'hyperbole en jaune

La brusquerie du changement des caractéristiques du milieu, qui caractérise les ondes de choc, peut être considérée comme une transition de phase : le diagramme pression-temps d'un objet supersonique se propageant montre comment la transition induite par une onde de choc est analogue à une transition de phase dynamique .

Lorsqu'un objet (ou une perturbation) se déplace plus rapidement que l'information ne peut se propager dans le fluide environnant, le fluide à proximité de la perturbation ne peut pas réagir ou « s'écarter » avant que la perturbation n'arrive. Dans une onde de choc, les propriétés du fluide ( densité , pression , température , vitesse d'écoulement , nombre de Mach ) changent presque instantanément. Les mesures de l'épaisseur des ondes de choc dans l'air ont donné des valeurs autour de 200 nm (environ 10 -5 in), ce qui est du même ordre de grandeur que le libre parcours moyen des molécules de gaz. En référence au continuum, cela implique que l'onde de choc peut être traitée comme une ligne ou un plan si le champ d'écoulement est respectivement bidimensionnel ou tridimensionnel.

Les ondes de choc se forment lorsqu'un front de pression se déplace à des vitesses supersoniques et pousse l'air environnant. Dans la région où cela se produit, les ondes sonores circulant à contre-courant atteignent un point où elles ne peuvent plus remonter en amont et la pression monte progressivement dans cette région ; une onde de choc à haute pression se forme rapidement.

Les ondes de choc ne sont pas des ondes sonores conventionnelles ; une onde de choc prend la forme d'un changement très brusque des propriétés du gaz. Les ondes de choc dans l'air sont entendues comme un bruit de « craquement » ou de « claquement ». Sur de plus longues distances, une onde de choc peut passer d'une onde non linéaire à une onde linéaire, dégénérant en une onde sonore conventionnelle en réchauffant l'air et en perdant de l'énergie. L'onde sonore est entendue comme le « bruit sourd » ou le « bruit sourd » familier d'un bang sonique , généralement créé par le vol supersonique d'un avion.

L'onde de choc est l'une des différentes façons dont un gaz dans un flux supersonique peut être comprimé. Certaines autres méthodes sont les compressions isentropiques , y compris les compressions de Prandtl- Meyer. La méthode de compression d'un gaz conduit à différentes températures et densités pour un rapport de pression donné qui peut être calculé analytiquement pour un gaz non réactif. Une compression par onde de choc entraîne une perte de pression totale, ce qui signifie qu'il s'agit d'une méthode moins efficace de compression des gaz à certaines fins, par exemple dans l'admission d'un scramjet . L'apparition de la pression-traînée sur les avions supersoniques est principalement due à l'effet de la compression des chocs sur l'écoulement.

Chocs normaux

En mécanique des fluides élémentaire utilisant des gaz parfaits, une onde de choc est traitée comme une discontinuité où l'entropie augmente sur une région presque infinitésimale. Comme aucun écoulement de fluide n'est discontinu, un volume de contrôle est établi autour de l'onde de choc, avec les surfaces de contrôle qui délimitent ce volume parallèlement à l'onde de choc (avec une surface du côté pré-choc du milieu fluide et une du côté post-choc). côté choc). Les deux surfaces sont séparées par une très faible profondeur de sorte que le choc lui-même est entièrement contenu entre elles. À de telles surfaces de contrôle, la quantité de mouvement, le flux de masse et l'énergie sont constants ; au sein de la combustion, les détonations peuvent être modélisées comme l'introduction de chaleur à travers une onde de choc. On suppose que le système est adiabatique (aucune chaleur ne sort ou n'entre dans le système) et qu'aucun travail n'est effectué. Les conditions de Rankine-Hugoniot découlent de ces considérations.

Compte tenu des hypothèses établies, dans un système où les propriétés aval deviennent subsoniques : les propriétés d'écoulement amont et aval du fluide sont considérées comme isentropiques . Étant donné que la quantité totale d'énergie dans le système est constante, l'enthalpie de stagnation reste constante dans les deux régions. Cependant, l'entropie augmente; ceci doit s'expliquer par une baisse de la pression de stagnation du fluide aval.

Autres chocs

Chocs obliques

Lors de l'analyse des ondes de choc dans un champ d'écoulement, qui sont toujours attachées au corps, l'onde de choc qui s'écarte d'un certain angle arbitraire par rapport à la direction de l'écoulement est appelée choc oblique . Ces chocs nécessitent une analyse vectorielle en composantes du flux ; cela permet de traiter l'écoulement dans une direction orthogonale au choc oblique comme un choc normal.

Amortisseurs d'arc

Lorsqu'un choc oblique est susceptible de se former à un angle qui ne peut pas rester sur la surface, un phénomène non linéaire se produit où l'onde de choc formera un motif continu autour du corps. Ceux-ci sont appelés amortisseurs d'arc . Dans ces cas, le modèle d'écoulement 1D n'est pas valide et une analyse plus approfondie est nécessaire pour prédire les forces de pression qui s'exercent sur la surface.

Ondes de choc dues à la pentification non linéaire

Des ondes de choc peuvent se former en raison de la pentification des ondes ordinaires. L'exemple le plus connu de ce phénomène est celui des vagues océaniques qui forment des brisants sur le rivage . En eau peu profonde, la vitesse des ondes de surface dépend de la profondeur de l'eau. Une vague océanique entrante a une vitesse de vague légèrement plus élevée près de la crête de chaque vague que près des creux entre les vagues, car la hauteur de la vague n'est pas infinitésimale par rapport à la profondeur de l'eau. Les crêtes dépassent les creux jusqu'à ce que le bord d'attaque de la vague forme une face verticale et déborde pour former un choc turbulent (un briseur) qui dissipe l'énergie de la vague sous forme de son et de chaleur.

Des phénomènes similaires affectent les ondes sonores fortes dans le gaz ou le plasma, en raison de la dépendance de la vitesse du son à la température et à la pression . De fortes ondes chauffent le milieu près de chaque front de pression, en raison de la compression adiabatique de l'air lui-même, de sorte que les fronts de haute pression dépassent les creux de pression correspondants. Il existe une théorie selon laquelle les niveaux de pression acoustique dans les cuivres tels que le trombone deviennent suffisamment élevés pour que l'accentuation se produise, formant une partie essentielle du timbre brillant des instruments. Bien que la formation de chocs par ce processus ne se produise normalement pas avec des ondes sonores non fermées dans l'atmosphère terrestre, on pense qu'il s'agit d'un mécanisme par lequel la chromosphère et la couronne solaires sont chauffées, via des ondes qui se propagent depuis l'intérieur solaire.

Analogies

Une onde de choc peut être décrite comme le point le plus en amont d'un objet en mouvement qui « connaît » l'approche de l'objet. Dans cette description, la position de l'onde de choc est définie comme la limite entre la zone n'ayant aucune information sur l'événement provoquant le choc et la zone consciente de l'événement provoquant le choc, analogue au cône de lumière décrit dans la théorie de la relativité restreinte .

Pour produire une onde de choc, un objet dans un milieu donné (comme l'air ou l'eau) doit se déplacer plus vite que la vitesse locale du son. Dans le cas d'un aéronef se déplaçant à une vitesse subsonique élevée, des régions d'air autour de l'aéronef peuvent se déplacer exactement à la vitesse du son, de sorte que les ondes sonores quittant l'aéronef s'empilent les unes sur les autres, à la manière d'un embouteillage sur une autoroute . Lorsqu'une onde de choc se forme, la pression atmosphérique locale augmente puis se propage latéralement. En raison de cet effet d'amplification, une onde de choc peut être très intense, ressemblant davantage à une explosion lorsqu'elle est entendue à distance (ce n'est pas un hasard, car les explosions créent des ondes de choc).

Des phénomènes analogues sont connus en dehors de la mécanique des fluides. Par exemple, des particules accélérées au-delà de la vitesse de la lumière dans un milieu réfractif (où la vitesse de la lumière est inférieure à celle dans le vide , comme l' eau ) créent des effets de choc visibles, un phénomène connu sous le nom de rayonnement Cherenkov .

Types de phénomènes

Vous trouverez ci-dessous un certain nombre d'exemples d'ondes de choc, globalement regroupées avec des phénomènes de choc similaires :

Onde de choc se propageant dans un milieu stationnaire, devant la boule de feu d'une explosion. Le choc est rendu visible par l' effet d'ombre (Explosion de la Trinité)

Choc en mouvement

  • Se compose généralement d'une onde de choc se propageant dans un milieu stationnaire
  • Dans ce cas, le gaz en amont du choc est stationnaire (dans le cadre du laboratoire) et le gaz derrière le choc peut être supersonique dans le cadre du laboratoire. Le choc se propage avec un front d'onde normal (à angle droit) à la direction de l'écoulement. La vitesse du choc est fonction du rapport de pression d'origine entre les deux corps de gaz.
  • Les chocs en mouvement sont généralement générés par l'interaction de deux corps de gaz à des pressions différentes, avec une onde de choc se propageant dans le gaz à basse pression et une onde de détente se propageant dans le gaz à plus haute pression.
  • Exemples: Ballon d' éclatement, tubes de choc , onde de choc de l' explosion .

Vague de détonation

  • Une onde de détonation est essentiellement un choc soutenu par une réaction exothermique traînante . Il s'agit d'une onde traversant un milieu hautement combustible ou chimiquement instable, tel qu'un mélange oxygène-méthane ou un explosif puissant . La réaction chimique du milieu se produit à la suite de l'onde de choc, et l'énergie chimique de la réaction fait avancer l'onde.
  • Une onde de détonation suit des règles légèrement différentes d'un choc ordinaire puisqu'elle est entraînée par la réaction chimique se produisant derrière le front d'onde de choc. Dans la théorie la plus simple des détonations, une onde de détonation non soutenue et auto-propagée se produit à la vitesse d'écoulement de Chapman-Jouguet . Une détonation provoquera également un choc de type 1, ci-dessus pour se propager dans l'air environnant en raison de la surpression induite par l'explosion.
  • Lorsqu'une onde de choc est créée par des explosifs puissants tels que le TNT (qui a une vitesse de détonation de 6 900 m/s), elle se déplacera toujours à une vitesse supersonique élevée depuis son point d'origine.
Photographie de Schlieren du choc détaché d'une balle en vol supersonique, publiée par Ernst Mach et Peter Salcher en 1887.
Shadowgram des ondes de choc d'une balle supersonique tirée d'un fusil. La technique optique du shadowgraph révèle que la balle se déplace à environ un nombre de Mach de 1,9. Les vagues d'étrave et les vagues de queue à gauche et à droite reviennent de la balle et son sillage turbulent est également visible. Les motifs à l'extrême droite proviennent de particules de poudre à canon non brûlées éjectées par le fusil.

Amortisseur d'étrave (amortisseur détaché)

  • Ces chocs sont incurvés et forment une petite distance devant le corps. Directement devant le corps, ils se tiennent à 90 degrés par rapport au flux venant en sens inverse, puis se courbent autour du corps. Les chocs détachés permettent le même type de calculs analytiques que pour le choc attaché, pour l'écoulement à proximité du choc. Ils sont un sujet d'intérêt continu, car les règles régissant la distance du choc devant le corps contondant sont compliquées et sont fonction de la forme du corps. De plus, la distance de sécurité des chocs varie considérablement avec la température pour un gaz non idéal, provoquant de grandes différences dans le transfert de chaleur vers le système de protection thermique du véhicule. Voir la discussion approfondie sur ce sujet à la rentrée atmosphérique . Celles-ci suivent les solutions « choc fort » des équations analytiques, ce qui signifie que pour certains chocs obliques très proches de la limite d'angle de déflexion, le nombre de Mach en aval est subsonique. Voir aussi choc d'arc ou choc oblique
  • Un tel choc se produit lorsque l'angle de déviation maximum est dépassé. Un choc détaché est couramment observé sur les corps émoussés, mais peut également être observé sur des corps tranchants à faible nombre de Mach.
  • Exemples : Véhicules de retour spatiaux (Apollo, Navette spatiale), balles, la limite ( Bow shock ) d'une magnétosphère . Le nom "choc de proue" vient de l'exemple d'une vague de proue , le choc détaché formé à la proue (avant) d'un navire ou d'un bateau se déplaçant dans l'eau, dont la vitesse lente de la vague de surface est facilement dépassée (voir vague de surface de l'océan ).

Amortisseur attaché

  • Ces chocs apparaissent comme attachés à la pointe de corps pointus se déplaçant à des vitesses supersoniques.
  • Exemples : coins et cônes supersoniques avec de petits angles au sommet.
  • L'onde de choc attachée est une structure classique en aérodynamique car, pour un gaz parfait et un champ d'écoulement non visqueux, une solution analytique est disponible, telle que le rapport de pression, le rapport de température, l'angle du coin et le nombre de Mach aval peuvent tous être calculés sachant le nombre de Mach amont et l'angle de choc. Des angles de choc plus petits sont associés à des nombres de Mach en amont plus élevés, et le cas particulier où l'onde de choc est à 90° du flux venant en sens inverse (choc normal) est associé à un nombre de Mach de un. Celles-ci suivent les solutions "choc faible" des équations analytiques.

Dans les flux granulaires rapides

Les ondes de choc peuvent également se produire dans les écoulements rapides de matériaux granulaires denses le long de canaux ou de pentes inclinés. Les chocs violents dans les écoulements granulaires denses rapides peuvent être étudiés théoriquement et analysés pour être comparés aux données expérimentales. Considérons une configuration dans laquelle le matériau se déplaçant rapidement le long de la goulotte heurte un mur d'obstruction érigé perpendiculairement à l'extrémité d'un canal long et raide. L'impact conduit à un changement soudain du régime d'écoulement d'une couche mince supercritique en mouvement rapide à un tas épais stagnant. Cette configuration d'écoulement est particulièrement intéressante car elle est analogue à certaines situations hydrauliques et aérodynamiques associées à des changements de régime d'écoulement d'écoulements supercritiques à sous-critiques.

En astrophysique

Les environnements astrophysiques présentent de nombreux types d'ondes de choc. Quelques exemples communs sont supernovae ondes de choc ou ondes de choc qui transitent par le milieu interstellaire, le choc arc provoqué par magnétique entrant en collision sur le terrain de la Terre avec le vent solaire vagues et choc provoqué par les galaxies entrant en collision les uns avec les autres. Un autre type de choc intéressant en astrophysique est le choc inverse quasi permanent ou choc de terminaison qui met fin au vent ultra relativiste des jeunes pulsars .

Météore entrant dans les événements

Dommages causés par une onde de choc météorique .

Les ondes de choc sont générées par les météorites lorsqu'elles pénètrent dans l'atmosphère terrestre. L' événement de Tunguska et l' événement météorologique russe de 2013 sont les preuves les mieux documentées de l'onde de choc produite par un météoroïde massif .

Lorsque le météore de 2013 est entré dans l'atmosphère terrestre avec une libération d'énergie équivalente à 100 kilotonnes ou plus de TNT, des dizaines de fois plus puissante que la bombe atomique larguée sur Hiroshima , l'onde de choc du météore a produit des dommages comme dans le survol d' un jet supersonique (directement sous la trajectoire du météore) et comme une onde de détonation , avec l'onde de choc circulaire centrée sur l'explosion du météore, provoquant de multiples cas de bris de verre dans la ville de Chelyabinsk et les régions voisines (photo).

Applications technologiques

Dans les exemples ci-dessous, l'onde de choc est contrôlée, produite par (ex. voilure) ou à l'intérieur d'un dispositif technologique, comme une turbine .

Choc de recompression

Choc de recompression sur un profil aérodynamique à flux transsonique, égal ou supérieur au nombre de Mach critique .
  • Ces chocs apparaissent lorsque l'écoulement sur un corps transsonique est décéléré à des vitesses subsoniques.
  • Exemples : ailes transsoniques, turbines
  • Lorsque le flux sur le côté aspiration d'une aile transsonique est accéléré à une vitesse supersonique, la recompression résultante peut être soit par compression Prandtl-Meyer, soit par la formation d'un choc normal. Ce choc est particulièrement intéressant pour les fabricants de dispositifs transsoniques car il peut provoquer une séparation de la couche limite au point où elle touche le profil transsonique. Cela peut alors entraîner une séparation complète et un décrochage sur le profil, une traînée plus élevée ou un tampon de choc, une condition dans laquelle la séparation et le choc interagissent dans une condition de résonance, provoquant des charges de résonance sur la structure sous-jacente.

Débit de tuyau

  • Ce choc apparaît lorsque l'écoulement supersonique dans un tuyau est décéléré.
  • Exemples:
  • Dans ce cas, le gaz en amont du choc est supersonique (dans le cadre du laboratoire), et le gaz derrière le système de choc est soit supersonique ( choc oblique s) soit subsonique ( choc normal ) (bien que pour certains chocs obliques très proches du limite d'angle de déviation, le nombre de Mach en aval est subsonique.) Le choc est le résultat de la décélération du gaz par un conduit convergent, ou par la croissance de la couche limite sur la paroi d'un conduit parallèle.

Moteurs à combustion

Le moteur à disque d'onde (également appelé « Rotor à onde radiale à combustion interne ») est une sorte de moteur rotatif sans piston qui utilise des ondes de choc pour transférer l'énergie entre un fluide à haute énergie et un fluide à faible énergie, augmentant ainsi à la fois la température et la pression du fluide à faible énergie.

Memristors

Dans les memristors , sous un champ électrique appliqué de l'extérieur, des ondes de choc peuvent être lancées à travers les oxydes de métaux de transition, créant des changements de résistivité rapides et non volatils.

Capture et détection des chocs

Deux avions sur fond bleu
La NASA a pris sa première photographie à Schlieren d'ondes de choc interagissant entre deux avions en 2019.

Des techniques avancées sont nécessaires pour capturer les ondes de choc et détecter les ondes de choc à la fois dans les calculs numériques et les observations expérimentales.

La dynamique des fluides numérique est couramment utilisée pour obtenir le champ d'écoulement avec des ondes de choc. Bien que les ondes de choc soient des discontinuités nettes, dans les solutions numériques d'écoulement de fluide avec des discontinuités (onde de choc, discontinuité de contact ou ligne de glissement), l'onde de choc peut être lissée par une méthode numérique d'ordre inférieur (en raison de la dissipation numérique) ou il y a des oscillations parasites près de la surface de choc par une méthode numérique d'ordre élevé (due aux phénomènes de Gibbs).

Il existe d'autres discontinuités dans l'écoulement du fluide que l'onde de choc. La surface de glissement (3D) ou ligne de glissement (2D) est un plan à travers lequel la vitesse tangente est discontinue, tandis que la pression et la vitesse normale sont continues. A travers la discontinuité de contact, la pression et la vitesse sont continues et la densité est discontinue. Une forte onde d'expansion ou une couche de cisaillement peut également contenir des régions à gradient élevé qui semblent être une discontinuité. Certaines caractéristiques communes de ces structures d'écoulement et ondes de choc et les aspects insuffisants des outils numériques et expérimentaux conduisent à deux problèmes importants dans les pratiques : (1) certaines ondes de choc ne peuvent pas être détectées ou leurs positions sont mal détectées, (2) certaines structures d'écoulement qui ne sont pas des ondes de choc sont détectées à tort comme des ondes de choc.

En fait, la capture et la détection correctes des ondes de choc sont importantes car les ondes de choc ont les influences suivantes : (1) provoquer une perte de pression totale, ce qui peut être un problème lié aux performances du moteur scramjet, (2) fournir une portance pour la configuration du surfeur , car l'onde de choc oblique à la surface inférieure du véhicule peut produire une pression élevée pour générer une portance, (3) conduisant à une traînée d'onde du véhicule à grande vitesse qui nuit aux performances du véhicule, (4) induisant une charge de pression et un flux de chaleur sévères, par exemple, l'interférence choc-choc de type IV pourrait entraîner une augmentation de la chaleur de 17 fois à la surface du véhicule, (5) en interagissant avec d'autres structures, telles que les couches limites, pour produire de nouvelles structures d'écoulement telles que la séparation d'écoulement, la transition, etc.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

Liens externes