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과학

수직 충격파

수직 충격파과학
영어
Normal shock
방향
상류 흐름에 수직인 파면
마하 수 변화
초음속에서 아음속으로
정체 압력
비가역성 때문에 감소
수직 충격파는 충격파면이 상류 흐름 방향에 수직인 압축성 유동의 충격파다. 정지한 충격파 기준의 일차원 이상기체 모형에서는 상류의 초음속 흐름이 하류에서 아음속으로 바뀌며 정압과 밀도는 증가한다.

짧은 거리의 큰 변화

충격파를 통과하는 유체는 매우 얇은 구간에서 압력, 밀도와 온도가 크게 바뀐다. 파면을 불연속으로 다루는 거시 모형은 이 내부 두께를 생략한 것이다. 물질이 사라지거나 경계를 통해 순간 이동한다는 뜻이 아니다.

보존식과 엔트로피

정상 단열 모형에서는 질량, 운동량과 에너지 보존을 적용한다. 열이나 축일이 공급되지 않더라도 비가역 과정이므로 엔트로피는 증가한다. 단열이라는 조건만으로 등엔트로피 관계를 충격파 앞뒤에 적용할 수는 없다.

직접 계산한 예

비열비 1.4인 열량적으로 완전한 기체에서 상류 마하 수가 2라면 수직 충격파 관계로 하류 마하 수는 약 0.577이다. 정압비는 4.5, 밀도비는 약 2.667이다. 속력이 줄어드는 것과 정압이 줄어드는 것을 같은 변화로 생각하면 안 된다.

정체량의 차이

정체 엔탈피는 보존되며 비열이 일정한 모형에서는 정체온도도 같다. 반면 정체 압력은 줄어든다. 이는 에너지 보존과 모순되지 않으며 비가역적 손실을 나타낸다. 실제 고온 기체에서 비열이나 화학 조성이 달라지면 단순한 일정 비열비 식을 다시 검토해야 한다.

관련 문서

경사 충격파 / 마하 수 / 정압 / 정체 압력 / 질량 유량 / 엔트로피 / 음속 / 베르누이 방정식