跳动城乡网当您打开一瓶香槟时，会发生复杂的超音速现象。维也纳工业大学的科学家们现在首次能够准确计算出发生了什么。
这听起来像是一个简单的、众所周知的日常现象：香槟瓶中存在高压，瓶塞被瓶中的压缩气体向外推动，并在强力的“爆”声中飞走。但这背后的物理原理很复杂。
高速相机的实验已经进行，但缺乏数学数值分析。维也纳工业大学现已弥补这一差距。使用复杂的计算机模拟，可以重新计算塞子和气流的行为。
在此过程中，发现了惊人的现象：形成超音速冲击波，气流可达音速一倍半以上。结果出现在预印本服务器arXiv上，对于涉及弹道导弹、射弹或火箭周围气体流动的其他应用也很重要。
来自瓶子的冲击波
“香槟软木塞本身以相对较低的速度飞走，大约达到每秒 20 米，”该研究的第一作者、维也纳工业大学流体力学与传热研究所的博士生卢卡斯·瓦格纳 (Lukas Wagner) 说。还在私人奥地利摩擦学能力中心 (AC2T) 进行研究。
“然而，气体从瓶子中流出的速度要快得多，”瓦格纳说。“它超越了软木塞，流过它并达到每秒 400 米的速度。”
这比音速还快。因此，在瓶子打开后不久，气体射流就突破了音障，并且伴随着冲击波。通常，气体中的压力和温度等变量会不断变化：彼此靠近的两点也具有大致相同的气压。但当冲击波发生时，情况就不同了。
“这些变量会出现跳跃，即所谓的不连续性，”卢卡斯·瓦格纳的论文导师 Bernhard Scheichl(维也纳工业大学和 AC2T)说道。“那么冲击波前面的压力或速度的值与后面的完全不同。”
气体射流中压力突然变化的这一点也称为“马赫盘”。“在超音速飞机或火箭中也存在非常相似的现象，其中废气高速从发动机排出，”斯特凡·布劳恩(维也纳工业大学)解释道，他提出了该项目的最初想法并指导了瓦格纳先生的硕士论文就此主题而言。马赫盘首先在瓶子和软木塞之间形成，然后移回瓶口。
暂时比北极还冷
不仅是气压，而且温度也会突然变化：“正如我们从喷雾罐中得知的那样，当气体膨胀时，它会变得更冷，”卢卡斯·瓦格纳解释道。这种效应在香槟瓶中非常明显：气体在某些点可以冷却至 -130°C。甚至可能会发生微小的干冰晶体由 CO 2形成，从而使起泡酒起泡。
“这种效果取决于起泡酒的原始温度，”卢卡斯·瓦格纳说。“不同的温度会产生不同大小的干冰晶体，然后以不同的方式散射光线。这会产生不同颜色的雾。原则上，你可以通过观察雾的颜色来测量起泡酒的温度。”
软木塞膨胀和冲击波爆裂
“当一瓶起泡酒爆开时，超音速现象实际上会发生，这一事实一开始并不明确——你不一定会想到这一点，”伯恩哈德·谢克尔说。“但我们的模拟表明，这是从流体力学方程中自然产生的，而且我们的结果与实验非常吻合。”
打开瓶子时发出的爆裂声是不同效果的组合：首先，软木塞一离开瓶子就突然膨胀，产生压力波，其次，您可以听到超音速气体产生的冲击波喷射——与众所周知的音爆空气声学现象非常相似。两者共同造成了香槟软木塞爆裂的特有声音。塞子的膨胀是根据 Wagner 先生在 AC2T 进行的实验建模的。
现在为解决围绕香槟软木塞爆开的物理难题而开发的方法也可以应用于其他相关领域：从发射手枪子弹到发射火箭——在许多技术上重要的情况下，您正在处理相互作用的非常固体的流动体强烈地伴随着更快的气流。
