Une onde de choc est un front étroit et approximativement discontinu dans un fluide compressible où les propriétés de l'écoulement (pression, température, densité, vitesse) changent brusquement et où l'entropie augmente ; elle se propage plus vite que les petites perturbations en amont et convertit l'énergie cinétique en énergie interne de façon irréversible.

Principe

Le comportement des chocs est régi par les lois de conservation à travers une discontinuité (masse, quantité de mouvement, énergie) et par les relations de saut de Rankine–Hugoniot ; l'intensité et l'orientation du choc découlent du nombre de Mach en amont et de la géométrie, tandis que viscosité et transfert thermique contrôlent l'épaisseur du choc sans modifier les conditions idéales de saut.

Démonstration

Un choc normal dans une section de soufflerie supersonique réduit le nombre de Mach de >1 à <1, provoquant une hausse soudaine de la pression et de la température statiques et une perte mesurable de pression totale en aval ; la trace de pression montre une marche abrupte conforme aux conditions théoriques de saut.

Mauvaise application

Considérer un choc comme une compression isentropique ou négliger l'épaisseur et la dissipation du choc lors d'analyses d'interaction avec la couche limite conduit à une sous-estimation du chauffage, du décollement et de la perte de pression totale.

Conséquence

Identifier correctement les chocs permet de prévoir la traînée d'onde, le chauffage localisé, le décollement éventuel de la couche limite et la perte irréversible de pression totale, informations essentielles pour dimensionner les structures thermiques, la prise d'air et l'efficacité des gouvernes.

Inversion

Un éventail d'expansion (Prandtl–Meyer) est l'opposé cinématique : une série continue d'ondes simples centrées qui diminuent pression et température tout en accélérant l'écoulement, préservant les conditions isentropiques dans la limite du gaz parfait.

Limite

Les ondes de choc n'apparaissent que dans des écoulements compressibles où le nombre de Mach local atteint ou dépasse l'unité ; les ondes de compression faibles à très faible Mach restent quasi-linéaires et ne forment pas de chocs ; les chocs se distinguent des détonations, qui impliquent une réaction chimique.

Tension sémantique

Le terme onde de choc peut être confondu avec onde acoustique ou impulsion de pression ; contrairement aux ondes acoustiques linéaires, les chocs sont non linéaires, dissipatifs et entraînent une production d'entropie ; ils sont aussi parfois confondus avec la détonation en présence de chimie.

Synthèse

Une onde de choc est la discontinuité compressive irréversible et étroite dans un fluide compressible, prédite par les lois de conservation et les relations de saut ; elle traduit une conversion rapide d'énergie cinétique en énergie interne avec des conséquences pratiques sur la traînée, le chauffage et le contrôle de l'écoulement.