当你打开一瓶香槟的瓶塞时，复杂的超音速现象就会发生。维也纳理工大学的科学家们现在已经能够第一次准确地计算出发生了什么。
这听起来像是一个简单而又众所周知的日常现象:香槟瓶里有很高的压力，瓶塞被瓶中的压缩气体向外冲出，发出一声巨响。但这背后的物理原理很复杂。
用高速摄像机进行的实验已经完成，但缺乏数学-数值分析。这一差距在维也纳工业大学现已消除。通过复杂的计算机模拟，可以重新计算堵塞器和气体流动的行为。
在这个过程中，人们发现了惊人的现象:形成了超音速激波，气流可以达到声速的1.5倍以上。这些结果出现在预印本服务器arXiv上，对于涉及弹道导弹、射弹或火箭周围气流的其他应用也很重要。
瓶子里的冲击波
“香槟软木塞本身以相对较低的速度飞行，可能达到每秒20米，”该研究的第一作者卢卡斯瓦格纳说，他是维也纳理工大学流体力学和传热研究所的博士生，同时也在私人奥地利摩擦学能力中心(AC2T)进行研究。
“然而，从瓶子里流出的气体要快得多，”瓦格纳说。“它超过软木塞，从软木塞上流过，速度高达每秒400米。”
这比声速还快。因此，在瓶子打开后不久，气体射流就打破了音障——这伴随着冲击波。通常情况下，气体中的压力和温度等变量是连续变化的:彼此靠近的两点的气压也大致相同。但当冲击波发生时，情况就不同了。
卢卡斯·瓦格纳的论文导师Bernhard Scheichl (TU Vienna & AC2T)说:“然后这些变量出现跳跃，即所谓的不连续。”“那么冲击波前面的压力或速度与冲击波后面的压力或速度的值就完全不同了。”
在气体射流中，压力突然变化的这一点也被称为“马赫盘”。“非常类似的现象也出现在超音速飞机或火箭上，它们的排气射流以高速离开发动机，”提出该项目的最初想法并指导瓦格纳先生关于该主题的硕士论文的斯特凡·布劳恩(Stefan Braun)解释说。马赫盘首先在瓶子和软木塞之间形成，然后向瓶口移动。
暂时比北极还要冷
不仅是气体压力，温度也会突然变化:“当气体膨胀时，它会变得更冷，就像我们从喷雾罐中知道的那样，”卢卡斯·瓦格纳解释说。这种效应在香槟瓶中非常明显:在某些点，气体可以冷却到-130°C。甚至有可能由使起泡酒起泡的二氧化碳形成微小的干冰晶体。
“这种影响取决于起泡酒的原始温度，”卢卡斯·瓦格纳说。“不同的温度导致不同大小的干冰晶，然后以不同的方式散射光。这就产生了各种颜色的烟。原则上，你可以通过观察烟雾的颜色来测量起泡酒的温度。”
软木膨胀和冲击波爆裂
Bernhard Scheichl说:“事实上，当一瓶气泡酒一开始并不清澈时，超音速现象就会发生，你不一定会预料到。”“但我们的模拟表明，这是很自然地从流体力学方程中产生的，我们的结果与实验结果非常吻合。”
打开瓶子时发出的声音是多种不同效果的结合:首先，软木塞一离开瓶子就突然膨胀，产生压力波;其次，你可以听到由超音速气体喷射产生的冲击波——与众所周知的音爆气动声学现象非常相似。这两种声音共同导致了香槟瓶塞爆裂的声音。塞子的膨胀模型是根据Wagner先生在AC2T进行的实验建立的。
现在已经开发出来的解决香槟瓶塞爆裂物理难题的方法也可以应用到其他相关领域:从发射手枪子弹到发射火箭——在许多技术上很重要的情况下，你正在处理非常固体的流体，这些流体与更快的气流强烈相互作用。
