background image

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

L

E

E

C

C

T

T

U

U

R

R

E

E

 

 

1

1

5

5

 

 

 

 

N

N

O

O

R

R

M

M

A

A

L

L

 

 

S

S

H

H

O

O

C

C

K

K

 

 

W

W

A

A

V

V

E

E

 

 

I

I

N

N

 

 

T

T

H

H

E

E

 

 

C

C

L

L

A

A

P

P

E

E

Y

Y

R

R

O

O

N

N

 

 

G

G

A

A

S

S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

N

N

O

O

R

R

M

M

A

A

L

L

 

 

S

S

H

H

O

O

C

C

K

K

 

 

W

W

A

A

V

V

E

E

.

.

 

 

H

H

U

U

G

G

O

O

N

N

I

I

O

O

T

T

 

 

A

A

D

D

I

I

A

A

B

B

A

A

T

T

.

.

 

 

 

 

Gas dynamics admitts existence of strongly discontinuous 
flow. The normal shock wave is the simplest example of 
such flow 

 

 

 

 

0

1

2

S

S

S

 

 

 

 

Conservation laws for the NSW 

(1)  Mass    

 

 

 

           

v

0

n

ds



   

1D case

       

1 1

2

2

u

u

 

(2)  Linear momentum    

( v

)

n

p

ds



v

n

0

   

1D case

  

2

2

1 1

1

2 2

2

u

p

u

p

 

(3)  Energy  

 

 

 

                                

2

2

1

2

1

1

1

2

2

2

1

2

(

1)

(

1)

p

p

u

u

 

Devide (2) by (1) … 

norm

al sh

ock

     w

ave

S

1

S

2

S

0

background image

1

2

2

1

1

2

1

2

1 1

2

2

2

2

1 1

p

p

p

p

u

u

u

u

u

u

u

u

   

 

 

 

 

(4) 

New form of (3)  is      

2

1

1

2

1

2

2

1

2

(

)(

)

1

p

p

u

u

u

u

 

  

 

 

 

(5) 

Using (4) the Eq. (5) can be rewritten as 
  

2

1

2

1

1

2

2

2

1 1

2

1

2

(

)

1

p

p

p

p

u

u

u

u

   

 

 

 

 

 

(6) 

 

The LHS of (6) can be transformed using the mass conservation equation (1) … 
 

1

1

2

(6)

2

2

u

p

LHS

u

1

u

2

2

2

p

u

2

u

1

1

1

p

u

1

u

2

2

1

1 1

u

p

u

2

u

2

2

1

1

1

2

1

2

p

p

p

p

 

Thus, we get from (6)   

 

2

2

1

1

2

1

1

2

1

2

2

1

2

1

p

p

p

p

p

p

 

     

 

(7) 

background image

We  multiply  (7)  by 

1

1

p

and  get  the  formula  which  involves  only  the  ratios 

1

2

    and 

2

1

p

p

 …. 

1

2

2

1

1

2

2

1

1

1

1

1

2

1

1

1

1

1

1

1

p

p

   

 

 

 

 

(8) 

 

We  have  obtained  the  formula  describing  the  thermodynamic  process    which  affects  the 
gas passing through the NSW. Note that it is different that the isentropic process! We 
call the above formula the Hugoniot Adiabat (HA)

 

Let us analyse some properties of the HA. Note that for 

2

1

1

1

1

 we have the vertical 

asymptot. If 

1.4

 then corrsponding ratio 

2

1

6

. Thus, at the shock wave the density of 

gas always increases but never more than 

1

1

 times. 

 

For brevity we introduce 

2

1

y

p

p

 , 

2

1

x

 and 

1

1

. The formula (8) can be now 

written as 

1

( )

x

y x

x

 

Then, we have   

2

(

1)(

1)

1

( )

(1)

(

)

1

y x

y

x

 

background image

Note  that  in  case  of  the  isentropic  process,  we  have   

( )

y x

x

,  so 

1

( )

y x

x

  and 

(1)

y

. Moreover 

3

2

2(

1)(

1)

( )

(1)

(

1)

(

)

( )

(

1)

(1)

(

1)

Hugoniot

Hugoniot

isentropic

isentropic

y

x

y

x

y

x

x

y

 

 

 









 

 

We see that the isentropic and normal shock wave adiabats fit very well to each other in 
the vicinity 

1

  (they have the same values of 

(1)

y

(1)

y

 and 

(1)

y

). We say that these 

lines are strictly tangent at 

1

 .  

 
Physically  it  means  that  weak  shock  waves 
are nearly isentropic
 and 
 

3

2

2

2

1

1

1

1

. .

Hugoniot

isentropic

p

p

C

h o t

p

p

 


 
 
 
 

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6



0

5

10

15

20

25

30

p

2

/p

1

Normal shock wave (Rankin-Hugoniot)

Isentropic flow (Poisson)

Rankin-Hugoniot and Poisson adiabats ( = 1.4)

background image

E

E

N

N

T

T

R

R

O

O

P

P

Y

Y

 

 

A

A

N

N

D

D

 

 

G

G

A

A

S

S

O

O

D

D

Y

Y

N

N

A

A

M

M

I

I

C

C

 

 

R

R

E

E

L

L

A

A

T

T

I

I

O

O

N

N

 

 

O

O

N

N

 

 

T

T

H

H

E

E

 

 

N

N

O

O

R

R

M

M

A

A

L

L

 

 

S

S

H

H

O

O

C

C

K

K

.

.

 

 

From the 1

st

 Principle of Thermodynamics we have 

 

1

(

)

p

p

dq

dp

dT

dp

dT

dp

ds

di

c

c

R

T

T

T

T

T

p

 

 
From the Clapeyron equation …. 
 

ln

ln

ln

p

RT

p

T

const

 

 

Thus 

 

 

 

 

dp

d

dT

dT

dp

d

p

T

T

p

 

 
and the differential of (mass specific) entropy can be written as 

 

p

v

p

dp

d

dp

dp

d

ds

c

R

c

c

p

p

p

 

 

After integration we get       

ln

ln

ln(

)

v

v

p

v

c

s

c

p

c

const

c

p

const

 

background image

Thus,  the  change  of  entropy  between  two  thermodynamic  states  can  be  expressed  as 
follows 

2

1

2

1

2

2

2

1

1

1

ln

ln

ln

ln

v

v

s

s

s

p

p

p

c

c

p

 

 

Note that for the Hugoniot adiabat  we have 
 

2

2

2

1

1

1

1

0

Hugoniot

p

s

p

  

 

 

i.e.,  the  shock  wave  cannot  expand  the  gas  (it  would  lead  to  entropy  decrease  which 
contradics  the  2

nd

  Principle  of  Thermodynamics).  Thus  the  (  nonrivial)  shock  wave 

must be a compression wave! Indeed, in such case 
 

2

2

1

1

0

p

s

p

  

 

 

We further observe that       

1

2

2

1 1

2

2

2

1

1

1

1

1

shock
wave

and

u

u

u

u

u

 

background image

Using the energy equation (integral) we also conclude that 

 

2

2

2

1

1

2

2

1

(

) / 2

0

p

T

T

u

u

c

T

T

 

 

i.e., after crossing the shock wave the gas warms up

 

We would like to know what kind of flow exists at different sides of the NSW.  
Writing the energy equation in the following form 

 

2

2

2

1

1

2

2

1

1

(

1)

(

1)

2(

1)

M

p

p

u

u

a

 

 

we obtain the following 

2

1

1

1

2

1

1

1

2

2

1

2

2

2

2

2

1

(

1)

2(

1)

1

(

1)

2(

1)

p

a

u

u

u

p

a

u

u

u

 

 

Subtracting the above equations we get 

 

2

1

2

2

1

2

1

2

1 1

2

2

1

2

(

.4)

2

1

1

1

Eq

u u

p

p

a

a

u

u

u

u

u

u



 

background image

After some algebra we derive the Prandtl’s Relation 

 

2

2

1

2

1

2

1

2

1

2

2

1

u

u

u

u

a

and u

u

u

u

u

u

a

 

 

The immediate conclusion from PR is that      

1

2

u

a

and u

a

 

 

What about the Mach number? 

The energy equation                     

2

2

2

1
2

1

1

2(

1)

a

u

a

 

 

can be divided by the square of velocity to obtain 

 

2

2

2

2

1

1

1

1

1

a

M

u

 

 

After simple manipulations we have       

2

2

1

2

1

u

a

M

 

 

 

From the above the following we infer that 

1

1

1

u

a

M

    and   

2

2

1

u

a

M

 

Thus,  the  flow  in  front  of  the  NSW  is  always  supersonic,  while  the  flow  behind  it  – 
always subsonic

background image

The quantity 

u

a

 is called the velocity coefficient. In contrast to the Mach number, the 

velocity coefficient assumes values in the bounded interval, namely 
 

1

1

1

2

,

1

1

lim

lim

1

1

M

M





 

 
The Mach number of the flow behind the wave M

2

 can be expressed as the function of the 

Mach  number  in  front  of  the  wave  M

1

.  To  obtain  this  formula  we  use  the  Prandtl’s 

Relation … 
 

1

2

2

2

1

2

1

1

1

1

2

2

1

1

u u

a a

M

M

 

 

 

After some algebra we get 
 

2

1

2

2

1

2 (

1)

1

2

1

M

M

M

 

 

Similarly,  we can expressed the ratios of density, pressure and temperature values.  

background image

The density ratio can be evaluated as follows 
 

1

2

1

1

1

1

1

1

1

1

2

1

1

2

2

1

2

2

1

0

0

(

)

(

)

(

)

(

)

[

(

)] 1

(

)

(

)

is

is

u

M

a

M

a

a

M

M

M

M

M M

u

M M

a

M M

a

a

 

 
To evaluate the pressure ratio (as the function of M

1

) we rewrite the momentum equation 

in the following way 
 

2

2

2

2

2

1

1

(1

)

u

u

p

u

p

p

p

M

const

p

a

 

 
Since the above expression has the same value at both sides of the shock wave, we get 
 

2

2

1

1

2

1

2

1

1

(

)

1

1

(

)

p

M

M

p

M

M

 

 
The  flow  through  the  shock  is  adiabatic  (total  energy  is  conserved)  and  the  total  (or 
stagnation) temperature T

0

 remains the same.  

 
 

background image

Thus, we can write 

0

2

2

1

1

0

2

1

(

)

(

)

1

[

(

)]

T T

M

T

M

T

T T

M

M

 

 

where the ratio 

T/T

0

 can be calculated from the formula derived in the Lecture 14 

 

1

2

0

1

(

)

1

2

T

M

M

T

 

 

 
 

1

2

3

4

5

6

7

8

M

1

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

M

2

NORMAL SHOCK WAVE (

1

1.5

2

2.5

3

3.5

M

1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

p

2

 /

 p

1

NORMAL SHOCK WAVE (

1

1.5

2

2.5

3

3.5

M

1

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

/

T

2

/T

1

NORMAL SHOCK WAVE (

background image

In  the  end,  we  will  analyse  what  happens  to  the  stagnation  pressure.  Conceptually,  we 
consider the process described as follows 

 

01

1

2

(

)

02

01

(

)

acceleration

shock

deceleration

isentropic

wave

isentropic

p

p

p

p

p

 

 

We claim that the total (stagnation) pressure diminishes on the shock wave.  

The justification of this fact goes as follows.  

We  know  that  the  entropy  of  the  gas  increases  on  the 
shock wave. The formula derived earlier can be written 
for stagnation parameters, namely 

2

1

02

01

02

01

0

ln

ln

v

s

s

p

p

c

 

Since  the  total  temperature  at  both  sides  is  the  same 
then  

02

02

01

02

0

01

01

Clapeyron

Equation

p

T

T

T

p

 

Thus     

2

0

1

0

0

1

02

0

(1

) ln

1

v

s

p

p

c

p

p

1

1.5

2

2.5

3

3.5

M

1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

p

0

2

/p

0

1

NORMAL SHOCK WAVE (