引言
发射于1977年的旅行者1号探测器传回了有关太阳系外围弓形激波的信息。太阳系在星际空间中移动形成一个由气体、尘埃构成的弧形区域，这就像在飞机机翼前气流堆积形成的弓形结构。激波，这个自宇宙爆炸生成之初就存在的神秘现象，至今吸引并困扰着相关学者。
图1 旅行者1号太空拍摄照片
01 激波的产生
激波，又称冲击波，是指在气体、液体和固体介质中，应力/压强、密度和温度等物理量在波阵面上发生突跃变化的压缩波。
在常见的气体扰动现象中，如车辆行驶、飞机飞行迁移、汽车气缸活塞高速推行，扰动通常以波的形式按当地声速向外传播。当物体移动速度高于扰动传播，扰动波发生堆积，在物体头缘附近形成集中的强扰动，并出现一个压缩过程的界面，即激波，而由物体产生的小扰动无法穿越激波传播到上游，如同现实生活中汽车在街口等红灯时，后到的车辆也会堆积在停止线之前，而非直接穿越停止线；流场中的宏观物理量如速度、温度在激波前后不连续，就像车流在停止线前后也会发生间断一样。
图2 风洞激波实验
激波现象在生活中十分常见，超音速绕体、管流以及间断传播（爆炸、爆震）等问题中都会出现激波。激波产生之后，机械能耗损转化为热能，于是出现了新型阻力——波阻，并使传热问题变得严重。
激波可分为正激波和斜激波两种。气流方向和激波面正交的称之为正激波，如活塞管内气体推进；气流方向和激波面斜交的则称为斜激波，如超音速战斗机机翼上的绕流问题。激波的产生，造成了波峰前后物理量跳跃式变动，压强急剧增高，气体液化，阻力增大，压力脉动，甚至对物体结构形成破坏。
图3 音障实景
02 激波的实验观测
激波的主流研究方式有两种：实验观测与数值模拟仿真。就实验方法而言，由于激波肉眼并不可见，其观测难度很大，通常只能通过空气密度梯度改变导致的折射率变化拍摄下激波的样子，即所谓的纹影成像技术。最近，NASA发明了以太阳光为光源拍摄真实飞机激波的方法，叫做背景导向纹影(BOS)，已经在风洞试验中获得巨大成功。在该方法中，研究人员首先获得一个斑点背景图案的图像，并收集一个位于相同图案前方超音速流动内物体的一系列图像，然后从这个背景图案的扭曲中看到激波。如果将红外纹影摄像机，结合被动光学测距技术，就可对隐身飞机进行有效定位，多个纹影摄像机连接成监控网络，就能对隐身飞机进行持续跟踪。
图4 NASA风洞观测激波（1）
图5 NASA风洞观测激波（2）
03 激波的数值模拟仿真
实验研究本身受实验条件和费用所限，往往研究覆盖面不广。由此，学术界针对激波的研究工作渐渐向理论及数值模拟仿真CFD方法转移延伸。但鉴于激波本身是一个物理量高度非线性的瞬态过程，能准确捕捉和描述激波全貌仍旧是CFD所面临的挑战之一。
在连续介质力学中, 一般认为激波是没有厚度的, 波前参数转变为波后参数是突变的，因此描述激波的方式通常只能停留在对波前波后的物理量求解，并不能为激波本身建模。然而, 通过上述风洞试验成结果，我们可以看到，激波实际是一个有厚度的薄层，只是厚度非常小，需以分子自由程计算。在这层薄层中，速度、温度等物理量非常迅速地从激波前的数值变换到激波后的数值。速度梯度和温度梯度很大使得摩擦和热传导变得十分剧烈，因此在薄层内还需要考虑分子热运动。严格来说，激波内流体已不能采用连续介质模型，而必须当作稀薄气体处理。
近年来，基于Boltzmann分子动力学理论的研究方法在CFD中异军突起，以直接在速度分布函数的水平上描述气体分子的行为为切入点，建立分子碰撞模型，并推演到宏观物理量，如气体对壁面的压力就是由各个分子与器壁碰撞将动量传递给后者而产生的。甚至随着电子计算机的广泛应用和性能的迅速提高,从流动物理出发的直接模拟方法（DSMC，Direct Simulation Monte Carlo）也逐渐发展起来。
图6 分子运动碰撞模型
图7 Boltzmann分子热运动输运方程
图8 基于分子动力学的CFD
基于上述机理，分子动力学方法成为解决极端特殊流体问题的手段之一，被越来越多地应用到实际工程领域中。这其中涌现出了很多优秀的流体力学仿真软件，如汽车行业知名流体软件Powerflow，空气动力学软件Aries等等。
此外，分子动力学自诞生之日起就对其研究者提出了挑战, 要面对难于求解的积分微分方程，要面对介质内部分子水平上的变化以及边界条件的提法等问题。40 余年来, 稀薄气体动力学发展的特征是其解题方法的新颖和丰富，间断速度方法、Monte Carlo求积法、模型方程方法就是例证。DSMC方法则是与Boltzmann方程同样重要而又能解决实际问题的方法。
面对航天探索更远地深入宇宙, 微米系统向纳米发展, 微型飞行器要求探索全新参数范围内的升力阻力机制，新的材料工艺要求掌握和控制金属蒸汽、等离子体在电磁场中的行为等等新的工程难题，我们相信分子动力学的应用前景将更为开阔。
图9 Aries算例-MIR国际空间站计算结果（速度云图）
图10 Aries算例-飞航导弹激波捕捉（1）
图11 Aries算例-飞航导弹激波捕捉（2）
图12 Aries算例-超音速进气道斜激波模拟
图13 Aries算例-Apollo返回舱再入大气过程仿真
参考文献
1、吴望一. 流体力学[M]. 北京大学出版社,2006.
2、沈青. 稀薄气体动力学[M]. 国防工业出版社. 2002.
3、曾根良夫, 青木一生. 分子气体力学[M].朝仓书店,1994
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本文标题：分子动力学：揭开神秘激波现象的不二利器
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