Velocidad transonic y supersonica howard

Transonic - Transonic

El flujo transónico (O transónico ) es el aire que fluye alrededor de un objeto a una velocidad que genera regiones de flujo de aire subsónico y supersónico alrededor de ese objeto. El rango exacto de velocidades depende del número de Mach crítico del objeto, pero el flujo transónico se ve a velocidades de vuelo cercanas a la velocidad del sonido (343 m / s al nivel del mar), típicamente entre Mach 0.8 y 1.2.

The tema de la velocidad transónica (o régimen transónico) apareció por primera vez durante la Segunda Guerra Mundial. Los pilotos descubrieron que al acercarse a la barrera del sonido, el flujo de aire hacía que la aeronave se volviera inestable. Los expertos descubrieron que las ondas de choque pueden causar una separación a gran escala aguas abajo, aumentando la resistencia y agregando asimetría e inestabilidad al flujo alrededor del vehículo. Se han realizado investigaciones para debilitar las ondas de choque en el vuelo transónico mediante el uso de cuerpos antichoque y superficies aerodinámicas supercríticas.

La mayoría de las aeronaves modernas con propulsión a chorro están diseñadas para operar a velocidades de aire transónicas. Las velocidades aerodinámicas de Transonic experimentan un rápido aumento en la resistencia de aproximadamente Mach 0,8, y son los costos de combustible de la resistencia lo que típicamente limita la velocidad aerodinámica. Los intentos de reducir la resistencia de las olas se pueden ver en todos los aviones de alta velocidad. Lo more notable es el uso de alas en flecha, pero otra forma común es un fuselaje con cintura de avispa como efecto secundario de la regla del area de Whitcomb.

Las velocidades transónicas también pueden ocurrir en las puntas de las palas de los rotores de helicópteros y aviones. Esto ejerce una tensión severa y desigual en la pala del rotor y puede provocar accidentes si ocurre. Es uno de los factores limitantes del tamaño de los rotores y las velocidades de avance de los helicópteros (ya que esta velocidad se agrega al lado de barrido hacia adelante [principal] del rotor, posiblemente causando transónica localizada).

Historia

Descubriendo Transonic Airflow

Los problemas con el vuelo de los aviones relacionados con la velocidad aparecieron por primera vez durante la era supersónica en 1941. Ralph Virden, un piloto de pruebas, se estrelló en un accidente de avión fatal. Perdió el control del avión cuando una onda de choque causada por un flujo de aire supersónico se desarrolló sobre el ala, provocando que se detuviera. Virden voló muy por debajo de la velocidad del sonido a Mach 0.675, lo que hizo surgir la idea de que se formaban diferentes corrientes de aire alrededor del avión. En los años 40, Kelley Johnson se convirtió en uno de los primeros engineers en investigar el efecto de la compresibilidad en los aviones. Sin embargo, los túneles de viento actuales no tenían la capacidad de crear vientos con velocidades cercanas a Mach 1 para probar los efectos de las velocidades transónicas. No mucho después, el término "transónico" se definió como "a través de la velocidad del sonido" y fue inventado por el director de la NACA, Hugh Dryden, y Theodore von Kármán del Instituto de Tecnología de California.

Cambios en aeronaves

Inicialmente, NACA diseñó "flaps de buceo" para ayudar a estabilizar el avión cuando alcanza el vuelo transónico. Esta pequeña aleta en la parte inferior del avión redujo la velocidad del avión para evitar ondas de choque, pero este diseño solo retrasó la búsqueda de una solución para los aviones que volaban a velocidad supersónica. Los nuevos túneles de viento se diseñaron para que los investigadores pudieran probar diseños de alas más nuevos sin arriesgar la vida de los pilotos de prueba. El túnel transónico de pared ranurada fue diseñado por la NASA y permitió a los investigadores probar alas y diferentes perfiles aerodinámicos en el flujo de aire transónico para Finderar la mejor forma de ala para velocidades sónicas.

Después de la Primera Guerra Mundial, se observaron cambios importantes en el diseño de aviones para mejorar el vuelo transónico. La principal forma de estabilizar un avión era reducir la velocidad del flujo de aire alrededor de las alas cambiando la cuerda de las alas del avión, y una solución para evitar las ondas transónicas fueron las alas barridas. Dado que el flujo de aire golpearía las alas en ángulo, esto disminuiría el grosor del ala y la relación de cuerda. Las formas de las alas aerodinámicas se diseñaron más planas en la parte superior para evitar ondas de choque y reducir la distancia del flujo de aire sobre el ala. Más tarde, Richard Whitcomb diseñó el primer perfil aerodinámico supercrítico utilizando principios similares.

Análisis matemático

Se optimiza para tres regímenes de flujo de aire (líneas negras) alrededor de un cuerpo romo anodino (azul).

Antes del advenimiento de las computadoras potentes, incluso las formas más simples de las ecuaciones de flujo compresible eran difíciles de resolver debido a su no linealidad. Una suposición común utilizada para eludir esta no linealidad es que las perturbaciones dentro del flujo son relativamente pequeñas, lo que permite a los matemáticos e ingenieros linealizar las ecuaciones de flujo compresible en un conjunto de ecuaciciones different ferencialesjosrelónes para ferenciales relative to total . Esta suposición es fundamentalmente falsa para los flujos transónicos porque la perturbación causada por un objeto es mucho mayor que en los flujos subsónicos o supersónicos; una velocidad de flujo cercana o en Mach 1 no permite que los tubos de flujo (trayectorias de flujo 3D) se contraigan lo suficiente alrededor del objeto para minimizar la perturbación y, por lo tanto, la perturbación se propaga. Los aerodinámicos lucharon durante los primeros estudios del flujo transónico porque la teoría vigente en ese momento implicaba que estas perturbaciones, y por lo tanto el arrastre, se acercaban al infinito cuando el número de Mach local se acercaba a 1, un resultado obviista queamente no podía remediarse usando métodos conocidos.

Uno de los primeros métodos utilizados para eludir la no linealidad de los modelos de flujo transónico for the transformación de hodógrafa. Este concepto fue explorado originalmente en 1923 por un matemático italiano llamado Francesco Tricomi, quien usó la transformación para simplificar las ecuaciones de flujo compresible y demostrar que eran solucionables. La transformación de la hodógrafa en sí también fue explorada por los libros de texto de Ludwig Prandtl y OG Tietjen en 1929 y por Adolf Busemann en 1937, aunque ninguno aplicó este método específicamente al flujo transónico.

Gottfried Guderley, un matemático e ingeniero alemán en Braunschweig, descubrió el trabajo de Tricomi en el proceso de aplicar el método de la hodógrafa al flujo transónico cerca del final de la Segunda Guerra Mundial. Se centró en las ecuaciones de flujo compresible de perfil aerodinámico delgado no lineal, lo mismo que derivó Tricomi, aunque su objetivo de usar estas ecuaciones para resolver el flujo sobre un perfil aerodinámico presentaba desafíos únicos. Guderley y Hideo Yoshihara, junto con algunas aportaciones de Busemann, luego utilizaron una solución singular de las ecuaciones de Tricomi para resolver analíticamente el comportamiento del flujo transónico sobre un perfil aerodinámico de doble del cuñosa los supinámico de doble del conosa de la solución perfil aerodinámico delgado.

Aunque tuvo éxito, el trabajo de Guderley todavía se centró en lo teórico y solo resultó en una solución única para un perfil aerodinámico de doble cuña en Mach 1. Walter Vincenti, un ingeniero estadounidense del Laboratorio Ames, tenía el como objetaj 1 de Guderley con soluciones numéricas que cubren el rango de velocidades transónicas entre Mach 1 y flujo totalmente supersónico. Vincenti y sus asistentes se basaron en el trabajo de Howard Emmons, así como en las ecuaciones originales de Tricomi para completar un conjunto de cuatro soluciones numéricas para el arrastre sobre un perfil aerodinámico de doble cuña en flujo transónico por encima de Mach 1. Entre el flujo subsónico y Mach 1 fue más tarde cubierto por Julian Cole y Leon Trilling, completando el comportamiento transónico del perfil aerodinámico a principios de la década de 1950.

Nubes de condensación

A velocidades transónicas, los ventiladores de expansion supersónica forman áreas intensas de baja presión y baja temperature en varios puntos alrededor de una aeronave. Si la Temperatura cae por debajo del punto de rocío, se formará una nube visible. Estas nubes permanecen con el avión mientras viaja. No es necesario que la aeronave en su conjunto alcance velocidades supersónicas para que se forms estas nubes. Normalmente, la cola de la aeronave alcanzará el vuelo supersónico mientras la proa de la aeronave todavía está en vuelo subsónico. Una burbuja de ventiladores de expansion supersónica que terminan con una onda de choque rodean la cola. A medida que la aeronave continúa acelerando, los ventiladores de expansión supersónica se intensificarán y la onda de choque de estela crecerá en tamaño hasta que se alcance el infinito, momento en el que se forma la onda de choque de arco. Esta es Mach 1 y la singularidad de Prandtl-Glauert.

Flujos transónicos en astronomía y astrofísica

En astrofísica, dondequiera que haya evidencia de choques (de pie, propagándose u oscilantes), el flujo cercano debe ser transónico, ya que solo los flujos supersónicos forman choques. Todas las acumulaciones de agujeros negros son transónicas. Muchos de estos flujos también tienen choques muy cerca de los agujeros negros.

Las salidas o chorros de objetos estelares jóvenes o discos alrededor de los agujeros negros también pueden ser transónicos, ya que comienzan subsónicamente y a gran distancia son invariablemente supersónicos. Las explosions de supernovas van acompañadas de flujos supersónicos y ondas de choque. Los choques de arco que se forman en los vientos solares son the resultado directo de los vientos transónicos de una estrella. Durante mucho tiempo se pensó que había un arco eléctrico alrededor de la heliosfera de nuestro sistema solar, pero se descubrió que este no era el caso según los datos del IBEX publicados in 2012.

Ver también

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Referencias