馬赫數

馬赫數

馬赫數,氣流速度V與當地聲(音)速a之比。馬赫數以奧地利物理學家馬赫(Ernst Mach,1838-1916)命名,簡稱Ma,表示為:Ma=V/a,Ma是衡量空氣壓縮性的最重要的參數(見馬赫波)。定義為流場中某點的速度與該點的當地聲速之比,即該處的聲速倍數。其中又有細分多種馬赫數,如飛行器在空中飛行使用的飛行馬赫數、氣流速度的氣流馬赫數、複雜流場中某點流速的局部馬赫數等等。

基本信息

馬赫數

馬赫數馬赫數

馬赫數是以奧地利物理學家 E.馬赫的姓命名的,簡稱M數,表示為:M=V/a,M數是衡量空氣壓縮性的最重要的參數(見馬赫波)。

名詞解釋

馬赫(英文:Machnumber)是表示聲速倍數的數,在物理學上一般稱為馬赫數,是一個無量綱數。一馬赫即一倍音速:馬赫數小於1者為亞音速,近乎等於1為跨聲速,大於1為超聲速;一般情況下,若馬赫數大於5左右,為超高音速;其值越大,空氣(或其它氣體)的壓縮性影響越顯著。馬赫數是飛行的速度和當時飛行的音速之比值,大於1表示比音速快,同理,小於1是比音速慢。它是高速流的一個相似參數。我們平時所說的飛機的Mach數是指飛機的飛行速度與當地大氣(即一定的高度、溫度和大氣密度)中的音速之比。比如Ma1.6表示飛機的速度為當地音速的1.6倍。

具體套用

由於馬赫數是速度與音速之比值,而音速在不同高度、溫度等狀態下又有不同數值,因此無法將Ma2.8的數值換算為固定的km/hr或mph等單位。馬赫數如果作為速度單位來使用,則必須同時給出高度和大氣條件(一般預設為國際標準大氣條件)。
在考慮空氣壓縮性影響時(一般在Ma0.3以上),經常使用馬赫數作為速度單位;不考慮壓縮性影響,則應該使用km/h、mph、m/s等單位。飛行器速度在Ma0.3以下可以認為是低速(可以不考慮空氣壓縮性影響);速度在Ma0.8以下的為亞音速;在Ma0.8~1.2上下為的跨音速;Ma1.2~5的為超音速、Ma5.0以上的為高超音速。
一般民用飛機飛行速度多為亞音速或高亞音速,軍用戰鬥機可以達到Ma3.0或更高,美國最新高超音速飛機已達到Ma7.0,太空梭進入大氣層可以達到Ma25以上。
馬赫一般用於飛機、火箭等航空航天飛行器。由於聲音在空氣中的傳播速度隨著不同的條件而不同,因此馬赫也只是一個相對的單位,每“一馬赫”的具體速度並不固定。在低溫下聲音的傳播速度低些,一馬赫對應的具體速度也就低一些。因此相對來說,在高空比在低空更容易達到較高的馬赫數
1947年10月14日,耶格爾駕駛X-1試驗飛機在加州南部上空脫離B-29母機,上升到一萬二千米高空,並在此高度上達到每小時1078千米的速度,首次突破音障,超過了一馬赫。
馬赫數Ma<0.3時,流體所受的壓力不足以壓縮流體,僅會造成流體的流動。在此狀況下,流體密度不會隨壓力而改變,此種流場稱為亞音速流(Subsonicflow),流場可視為不可壓縮流場。一般的水流及大氣中空氣的流動,譬如湍急的河流、颱風風場和汽車的運動等,皆屬於不可壓縮流場。但流體在高速運動(流速接近音速或大於音速)時,流體密度會隨壓力而改變,此時氣體之流動稱為可壓縮流場(Compressibleflow)。當馬赫數Ma>1.0,稱為超音速流(Supersonicflow),此類流況在航空動力學中才會遇到。
任何超過音速移動的物體會從頭部向後產生錐狀的能量激波(速度越高錐角越小),其力量可破壞任何材質的物體,而且會製造高溫,因此其體型設計必須限制在錐狀激波的範圍內,同時要採用高抗熱性的材料。
在地表,1馬赫的大約速度換算相當於340.3m/s,又大約等同於1225km/h,761.2mph,或者1116ft/s。飛行物在相同的速度下,其馬赫數會因所在高度空氣的音速不同而有差異;高度越高,音速越低,而使得馬赫數越高。

分類

依照馬赫數的不同,流體分為幾種流況:
不可壓縮流
亞音速不可壓縮流:M<0.3
可壓縮流
亞音速可壓縮流:0.3≤M≤0.8
跨音速:0.8≤M≤1.2
超音速:1.2≤M≤5
超高音速:M≥5

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