Überschallströme

Überschallströme bezeichnet Strömungen, deren Geschwindigkeit die lokale Schallgeschwindigkeit des Mediums übertrifft (Machzahl größer als 1). Sie treten in Gasen auf, wenn hohe Strömungsgeschwindigkeiten auftreten, wie in Triebwerken, Düsen oder Explosionen. In der Aerodynamik und Raketentechnik spielen Überschallströme eine zentrale Rolle; auch in der Astrophysik finden sich Beispiele, etwa in Jets von aktiven Galaxien oder Sternentstehungsprozessen.

Charakteristische Merkmale sind Stoßwellen und Expansionswellen. Bei Machzahlen über 1 bilden sich Stoßwellen, die Druck, Temperatur und Dichte abrupt verändern. Vor festen Körpern entstehen bow shocks; schräggestellte Stoßwellen begleiten störende Objekte und führen zu Druckanstiegen. Expansionen hinter Konturen erzeugen Prandtl-Meyer-Expansionen, die die Strömung isentrop beschleunigen oder verteilen. In Düsen kann durch Verengung ein choked flow auftreten, bei dem die Strömung am Engpass Mach 1 erreicht und die maximale Massendurchflussrate festlegt.

Theoretisch lässt sich Überschallströmung durch die Euler-Gleichungen für ideale Gase beschreiben; Stoßlinien folgen den Rankine-Hugoniot-Beziehungen. Reale Flüsse berücksichtigen zusätzlich Viskosität, Wärmeleitung und Turbulenz, wodurch Grenzschicht-, Instabilitäts- und Reibungseffekte eine wichtige Rolle spielen. In der Praxis beeinflussen Entkopplung der Grenzschicht, Turbulenz und Nichtisothermie die Struktur von Überschallströmen erheblich.

Anwendungen umfassen Überschallflugzeuge, Raketentriebwerke, Düsen- und Windkanäle sowie Tests und Simulationen in der Luft- und Raumfahrt. In der Forschung dienen Überschallströmungen auch zum Verständnis von Material- und Energieprozessen. Typische Messmethoden sind Druck- und Temperaturmessungen entlang der Strömung, Pitot-Rohre und bildgebende Techniken zur Visualisierung von Stoß- und Expansionsprozessen.