Studies on Shock Waves Produced by Reddy Tube 

 

ABSTRACT 

Shock  tubes  are  usually  used  to  produce  shockwaves  in  the  laboratory. 

Reddy tube is a hand operated device capable of producing shockwaves exceeding 

Mach number 1.5. The shockwaves generated by Reddy tube have many scientific 

application.  Since  this  shock  tube  is  hand  operated,  these  waves  are  of  low 

strength.  In order  to  increase  the  strength of  the  shock waves  it  is necessary  to 

focus the shock waves.  

In  this  project we  study  the  shock waves  and  increase  their  intensity  by 

focusing with mechanical  lenses.  Computational  Fluid  Dynamics will  be  used  to 

arrive  at  optimum  configurations  for  focusing  shock  waves  and  the  best 

configuration will then be experimentally tested.  

 

INTRODUCTION 

FLOW REGIMES AND SHOCK WAVES 

 

The ratio of velocity of a flow in still air to that of the local speed of sound in 

that medium gives  rise  to one of  the most  important dimensionless quantities  in 

the field of aero dynamics. This ratio is called the Mach number, generally denoted 

by M, named after noted physicist Ernst Mach. 

                                                                   M=u/a  

Where, 

M is the Mach number, 

u is the velocity of flow, 

a is the speed of sound in the medium. 

  

If the Mach number is less than 0.8, it is known as subsonic flow. 

If the Mach number is between 0.8 and 1.2, it is known as transonic flow. 

If the Mach number is greater than 1.2, it is known as supersonic flow. 

If the Mach number is greater than 5, it is known as hypersonic flow. 

 

Shock  waves  are  mechanical  waves  of  finite  amplitudes  and  arise  when 

matter  is subjected to rapid compression. These are produced by sudden release 

of energy (like in explosions or volcanic eruptions) by bodies moving at supersonic 

speeds or by impact of high speed projectiles or by laser ablations. Like an ordinary 

wave,  a  shock wave  carries  energy  and  can  propagate  through  a medium.  It  is 

characterized by abrupt change in pressure, temperature and density of medium. 

A shock tube  is a simple device that  is used to generate a shock wave  in a 

controlled environment. It basically consists of two long tubes separated by a solid 

metal diaphragm. On one side of this diaphragm, a gas  is filled to a pressure high 

enough  to  rupture  the metal  diaphragm  and  the  pressure  in  the  other  tube  is 

reduced  to  a  value  lower  than  the  atmospheric  pressure.  The  former  side  is 

termed as the driver side and the latter side termed as the driven side. 

 

EXPERIMENTAL SETUP 

Fig 01:  a.  Schematic diagram of  the 29mm diameter Reddy  tube  indicating  the  locations of pressure 

sensors.  b.  Photograph  of  fully  assembled, modified  Reddy  tube with  pressure  gauges mounted  for 

measuring the shock speed and the diaphragm rupture pressure.  

 

The  Reddy  tube  consists  of  a  29mm  inner  diameter  stainless  steel  shock 

tube  divided  into  a  490mm  long  driver  tube  and  500mm  long  driven  tube 

separated by a 0.1mm thick aluminum diaphragm. A long driver tube ensures late 

arrival of the expansion  fan, which enables achieving a test time  longer than 500 

micro seconds. 

The diaphragm rupture pressure in the driver section is generated manually 

by pushing a 29mm diameter piston. This  rupture pressure  is monitored using a 

digital pressure gauge mounted close to the diaphragm station. The speed of the 

shock wave inside the driven tube and the pressure jump between the primary and 

reflected shock waves are measured using two piezoelectric pressure gauges. 

The shock waves are passed through either an aluminum mirror or through 

struts which are placed at the end of the driven section of the shock tube. At the 

converging point, the pressure is measured using a set of piezoelectric transducers. 

 

VISUALIZATION 

Fig 02: Schematic of the experimental arrangement for the schlieren visualization of flow field. 

Shock waves are characterized by a considerable change of density of  the 

fluid as it crosses the features. A method of flow visualization known as schlieren is 

adopted  to  be  used  in  conditions  characterized  by  density  gradients.  The word 

‘schliere’ means ‘streak’ in German.  

The experimental setup uses a concave mirror to render parallel light from a 

point  source by  keeping  the point  source  at  the  focal  length of  the mirror. This 

parallel  light  is  refocused  to  a  point  using  a  similar  concave mirror, where  the 

image  is  captured  using  a  high  speed  camera. A  sharp  blockage,  termed  as  the 

knife edge, is kept at this focal point so that it cuts about half the intensity of the 

light forming the image. 

 

FOCUSING OF SHOCK WAVES 

 

The  Reddy  tube  is  an  easy  and  safe way  to  produce  shock waves.  From 

previous literatures of K P J Reddy, the intensities of shock wave produced by hand 

operated shock  tubes are  low.  It  is possible  to  increase  this  intensity by  focusing 

the shock waves using aluminum mirrors or struts [1]. In this project we propose to 

enhance  the strength of shock wave produced by  the Reddy  tube. Schlieren and 

pressure probes are used to measure the shock waves.  

The first study on focusing of shock waves was done by Guderley in 1942 [2]. 

Later,  Perry  and  Kantrowitz  conducted  experiments  in  order  to  study  the 

convergence of cylindrical shock waves by using a tear drop shock tube [3]. 

 

Fig 03: Schematic representation of a Tear Drop Shock Tube for focusing a shock wave. 

Sturtevant  and  Kulkarny,  in  1976,  used  a  parabolic  reflector  to  study  the 

complex behavior of shock waves  in a  focal region.  In this  intensive experimental 

study, shock waves were bought to a focal region by reflecting a plane shock wave 

from the surface of a reflector [4]. 

Takayama  and Watanabe,  in  1989,  studied  the  convergence  of  cylindrical 

shock waves  in shock  tubes with an annular section. One of  the most  interesting 

observations of  this  study was  the  formation of  square  shock waves  in  the  final 

stages of convergence process [5]. 

 

COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS 

 

Computational Fluid Dynamics (CFD) has emerged as a complementary tool 

for  studying  fluid  flows, wherein  the  governing  equations  of  fluid  dynamics  are 

solved using numerical techniques typically with a computer program. In this study 

a commercial code ANSYS‐CFX will be used. The first step in CFD is to generate the 

geometry of  the  flow domain model. Then,  the domain  is divided  into a number 

small volumes (called “Mesh”). The  initial and boundary conditions are setup and 

the governing equations are solved. ANSYS‐CFX uses a coupled multigrid algorithm 

for solving  the discretized  fluid  flow equations which are  important  to get stable 

solutions for complex flows such as the ones generated in the shock tube. The CFD 

code will first be validated for predicting the flow in the Reddy tube. 

Configurations  to  focus  the  shock  wave  will  be  devised  and  these 

configurations will first be studied using CFD and the best of these configurations 

will be experimentally tested in the Reddy tube.  

 

CONCLUSION 

 

The  shock waves generated by  the Reddy  tube will be  studied closely and 

configurations to  intensify the generated shock waves will be analyzed using CFD 

simulations, following which they will be experimentally tested. 

 

BIBILOGRAPHY  

[1]   Reddy K P J ‐ Experiments on shock tube using Reddy tube. 

[2]   Reddy K P J and Sharath N ‐ Manually Operated Piston‐Driven Shock Tube P.172, Current Science, Vol. 104, No. 2. 

[3]   Perry R W and Kantrowitz A – 1951 ‐ The Production and Stability of Converging Shock Waves.  Pg. 878‐886. 

[4]   Sturtevant B and Kulkarny V A ‐ The focusing of Shock Waves, Fluid Mech. Pg. 651‐671, 1976. 

[5]   Takayama K – 1989 – International Workshop on Shock Waves Focusing, Tohoku University Shock Wave Research Center, Sendai.