Überschallströmung

Überschallströmung bezeichnet den Strömungszustand eines Fluids, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit größer ist als die Schallgeschwindigkeit des Mediums (Machzahl M > 1). In der Luft liegt die Schallgeschwindigkeit bei etwa 340 m/s, sodass Flugzeuge jenseits dieser Geschwindigkeit üblicherweise Überschallströmung erfahren. Typische Merkmale sind starke kompressible Effekte, Druck- und Temperaturänderungen sowie das Entstehen von Stoßwellen.

Stoßwellen sind zentrale Erscheinungen der Überschallströmung. Es bilden sich normale Stoßwellen und schräge Stoßwellen, die Sprünge in Druck, Dichte und Temperatur verursachen. Der Machwinkel μ eines Objekts in Überschallströmung erfüllt sin μ = 1/M (Machkonus). Umströmte konvexe Kanten können zudem Prandtl–Meyer-Ausdehnungfans erzeugen. Durch Düsengeometrien wie die De Laval-Düse kann die Strömung von subsonisch auf Überschall beschleunigt werden; Engpässe können die Strömung choke machen, wobei am Engpass M = 1 erreicht wird.

Die Beschreibung erfolgt durch die Gleichungen der kompressiblen Fluiddynamik (Kontinuität, Impulserhaltung, Energieerhaltung). Die Machzahl M = v/a mit a = sqrt(γRT) charakterisiert die Geschwindigkeit relativ zur Schallgeschwindigkeit. Stoßwellen erhöhen die Entropie und verursachen Druckverluste; isentrope Expansionen treten in freier, glatter Expansion auf. In der Praxis werden häufig CFD-Verfahren eingesetzt, um Überschallströmungen zu modellieren.

Anwendungen umfassen Überschallflugzeuge, Düsen- und Raketentechnik (De Laval-Düse), Ramjets und Scramjets; Stoßwellen erzeugen hörbare Druckwellen, den Sonic Boom. Messungen erfolgen mit Schlieren- oder Interferometrie; Simulationen unterstützen das Design entsprechender Bauteile.