Aerodinámica

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Un vórtice es creado por el paso de un ala de avión, revelado por el humo. Los vórtices son uno de los fenómenos que se asocian con el estudio de la aerodinámica. El vórtice se crea por la diferencia de presión entre las superficies superior e inferior del ala. El aire fluye desde la región de alta presión por debajo del ala hacia la región de menor presión en la superficie superior.

Aerodinámica, del griego ἀήρ aer (aire) + δυναμική sí mismo de δύναμις dynamis (fuerza, especialmente, el poder milagroso), es una rama de la dinámica interesados ​​en estudiar el movimiento de aire , especialmente cuando interactúa con un objeto sólido. La aerodinámica es un subcampo de la dinámica de fluidos y dinámica de gases , con mucha teoría compartido entre ellos. Aerodinámica se utiliza a menudo como sinónimo de dinámica de gases, con la diferencia de que la dinámica de gas se aplica a todos los gases.

Contenido

[ editar ] Aspectos generales

Entender movimiento de aire (a menudo llamado un campo de flujo) alrededor de un objeto permite el cálculo de las fuerzas y momentos que actúan sobre el objeto. Las propiedades típicas calculadas para un campo de flujo incluyen velocidad , presión , densidad y temperatura como una función de la posición espacial y temporal. La aerodinámica permite la definición y solución de las ecuaciones de conservación de masa, momentum y energía en el aire. El uso de la aerodinámica a través matemático de análisis, aproximaciones empíricas, túnel de viento de la experimentación y simulaciones por ordenador son la base científica para la más pesada que el aire, vuelo y una serie de otras tecnologías.

Problemas aerodinámicos pueden ser clasificados de acuerdo con el entorno de flujo. Aerodinámica externa es el estudio de flujo alrededor de objetos sólidos de diversas formas. La evaluación de la elevación y arrastre en un avión o las ondas de choque que se forman en frente de la nariz de un cohete , son ejemplos de aerodinámica externa. aerodinámica interna es el estudio de flujo a través de pasajes de objetos sólidos. Por ejemplo, la aerodinámica interna comprende el estudio de la circulación de aire a través de un motor de reacción o a través de un aire acondicionado de la tubería.

Problemas aerodinámicos también pueden ser clasificados de acuerdo a si la velocidad de flujo es inferior, cerca o por encima de la velocidad del sonido . Un problema que se llama subsónica si todas las velocidades en el problema son menos de la velocidad del sonido, transónico si las velocidades por debajo y por encima de la velocidad del sonido están presentes (normalmente cuando la velocidad característica es aproximadamente la velocidad del sonido), supersónico , cuando la velocidad característica de flujo es mayor que la velocidad del sonido, y hipersónico cuando la velocidad de flujo es mucho mayor que la velocidad del sonido. Aerodinámica no están de acuerdo sobre la definición precisa del flujo hipersónico; mínimas números de Mach para el rango de flujo hipersónico 3 a 12.

La influencia de la viscosidad en el flujo dicta una tercera clasificación. Algunos problemas pueden encontrarse con los efectos viscosos sólo muy pequeñas en la solución, en la que se puede viscosidad caso considerarse insignificante. Las aproximaciones a estos problemas se denominan flujos no viscosos . Flujos de viscosidad que no puede pasarse por alto son llamados flujos viscosos.

[ editar ] Historia

[ editar ] Las primeras ideas - tiempos antiguos hasta el siglo 17

Un dibujo de un diseño para una máquina voladora de Leonardo da Vinci (c. 1488). Esta máquina fue un ornitóptero , con aleteo de alas similares a las de un pájaro, presentado por primera vez en su Códice sobre el vuelo de los pájaros en 1505.

Los seres humanos han sido el aprovechamiento de las fuerzas aerodinámicas durante miles de años con barcos de vela y molinos de viento. [1] Imágenes e historias de vuelo han aparecido a lo largo de la historia, [2] como el legendario griego historia de Ícaro y Dédalo . [3]

Dos conceptos importantes en la aerodinámica, continuidad y resistencia , aparecen en la obra de Aristóteles . [ cita requerida ] Arquímedes afirma que un fluido es una sustancia continua y se pueden tratar matemáticamente como un continuo, reforzó la noción de presión , y sugirió una relación entre movimiento fluido y gradiente de presión . [ cita requerida ]

Aunque las observaciones de algunos efectos aerodinámicos tales como la resistencia al viento (por ejemplo, resistencia ) fueron registrados por Aristóteles , Leonardo da Vinci y Galileo Galilei , muy poco esfuerzo se hizo para desarrollar una teoría rigurosa cuantitativa del flujo de aire antes del siglo 17.

En 1505, Leonardo da Vinci escribió el Códice sobre el vuelo de los pájaros , uno de los primeros tratados sobre la aerodinámica. Hace notar por primera vez que el centro de gravedad de un pájaro en vuelo no coincide con su centro de presión , y se describe la construcción de un ornitóptero , con aleteo de las alas similares a los de un pájaro.

Sir Isaac Newton fue el primero en desarrollar una teoría de la resistencia del aire, [4] haciendo de él uno de los primero en aerodinámica. Como parte de esa teoría, Newton considera que el arrastre fue debido a las dimensiones de un cuerpo, la densidad del fluido, y la velocidad elevada a la segunda potencia . Estos todos resultó ser correcta para velocidades de flujo bajas. Newton también desarrolló una ley para la fuerza de arrastre sobre una placa plana inclinada hacia la dirección del flujo de fluido. Uso de F por la fuerza de arrastre, ρ de la densidad, S para el área de la placa plana, V para la velocidad de flujo, y θ para el ángulo de inclinación, su ley se expresó como F = \ rho ^ 2 SV \ sin ^ 2 (\ theta)

Esta ecuación es correcta para el cálculo de la resistencia en la mayoría de los casos. Arrastre en una placa plana es más cerca de ser lineal con el ángulo de inclinación en lugar de actuar cuadráticamente en ángulos bajos. La fórmula de Newton puede llevar a creer que el vuelo es más difícil de lo que realmente es, debido a esta overprediction de arrastre y de empuje por lo tanto es necesario, y puede haber contribuido a un retraso en el vuelo humano. Sin embargo, es más adecuado para una placa muy delgada cuando el ángulo llega a ser grande y se produce la separación del flujo, o si la velocidad de flujo es supersónico. [5]

[ edit ] inicios modernos - 18 al siglo 19

Un dibujo de un planeador por Sir George Cayley , uno de los primeros intentos de crear una forma aerodinámica.

En 1738 el holandés - Swiss matemático Daniel Bernoulli publicó Hydrodynamica, en el que describe la relación fundamental entre la presión, la densidad y la velocidad, en particular el principio de Bernoulli , que es un método para calcular la sustentación aerodinámica. [6] ecuaciones más generales del flujo de fluidos - las ecuaciones de Euler - fueron publicados por Leonhard Euler en 1757. Las ecuaciones de Euler se ampliaron para incorporar los efectos de la viscosidad en la primera mitad de la década de 1800, dando lugar a las ecuaciones de Navier-Stokes .

Sir George Cayley se acredita como la primera persona en identificar las cuatro fuerzas aerodinámicas del vuelo de peso , elevación , arrastre y de empuje -y las relaciones entre ellos. [7] [8] Cayley cree que la resistencia aerodinámica de una máquina voladora debe ser contrarrestado por un medio de propulsión a fin de que el nivel de vuelo que se produzca. Cayley también miró a la naturaleza de las formas aerodinámicas con baja resistencia. Entre las formas que fueron investigadas las secciones transversales de la trucha . Esto puede parecer contrario a la intuición, sin embargo, los cuerpos de los peces tienen forma de producir una resistencia muy baja a medida que viajan a través del agua. Sus secciones transversales son a veces muy próxima a la de los modernos de baja resistencia perfiles de ala .

Experimentos de resistencia al aire se llevaron a cabo por los investigadores a través de los siglos 18 y 19. Arrastre teorías fueron desarrolladas por Jean le Rond d'Alembert , [9] Gustav Kirchhoff , [10] y Lord Rayleigh . [11] Las ecuaciones para el flujo de fluido con fricción fueron desarrolladas por Claude-Louis Navier [12] y George Gabriel Stokes . [ 13] Para simular el flujo de fluidos, muchos experimentos de inmersión de los objetos involucrados en las corrientes de agua o simplemente dejar a la parte superior de un edificio alto. Hacia el final de este período de tiempo Gustave Eiffel utilizó su Torre Eiffel para ayudar en la prueba de caída de placas planas.

Una manera más precisa para medir la resistencia es colocar un objeto dentro de una corriente artificial, uniforme de aire en donde se conoce la velocidad. La primera persona a experimentar de esta manera fue Francis Herbert Wenham , que, al hacerlo, construyó el primer túnel de viento en 1871. Wenham también fue miembro de la primera organización profesional dedicada a la aeronáutica, la Royal Aeronautical Society del Reino Unido . Los objetos colocados en los modelos de túnel de viento es casi siempre menor que en la práctica, por lo que se necesitaba un método para relacionar modelos a pequeña escala a sus homólogos en la vida real. Esto se logró con la invención de la adimensional número de Reynolds por Osborne Reynolds . [14] Reynolds también experimentó con laminar a turbulento transición de flujo en 1883.

A finales del siglo 19, dos problemas fueron identificados antes más pesado que el aire podía volar realizarse. La primera fue la creación de baja resistencia, de alta elevación alas aerodinámicas. El segundo problema es cómo determinar la potencia necesaria para el vuelo sostenido. Durante este tiempo, se sentaron las bases para bajar de hoy en día la dinámica de fluidos y aerodinámica, con otros menos científicamente inclinados entusiastas de probar varias máquinas voladoras con poco éxito.

Una réplica del Wright Brothers ' túnel de viento está en exhibición en el aire Virginia and Space Center. Los túneles de viento fueron clave en el desarrollo y validación de las leyes de la aerodinámica.

En 1889, Charles Renard , un ingeniero aeronáutico francés, se convirtió en la primera persona para predecir razonablemente la energía necesaria para el vuelo sostenido. [15] Renard y físico alemán Hermann von Helmholtz exploró la carga alar (relación peso-ala-área) de las aves, finalmente concluir que los humanos no podían volar por sus propios medios uniendo las alas en sus brazos. Otto Lilienthal , siguiendo el trabajo de Sir George Cayley, fue la primera persona a convertirse en un gran éxito con los vuelos de planeadores. Lilienthal cree que perfiles delgados y curvos produciría gran elevación y de baja resistencia.

Chanute Octave proporcionado un gran servicio a los interesados ​​en la aerodinámica y máquinas voladoras con la publicación de un libro que detalle todas de las investigaciones realizadas en todo el mundo hasta 1893. [16]

[ editar ] Práctica de vuelo - principios de siglo 20

Con la información contenida en el libro de Chanute, la asistencia personal de Chanute sí mismo, y la investigación llevada a cabo en su propio túnel de viento, los hermanos Wright adquirido un conocimiento suficiente de la aerodinámica para volar el avión a motor primero el 17 de diciembre de 1903. Vuelo de los hermanos Wright confirmado o refutado una serie de teorías aerodinámica. La teoría de Newton fuerza de arrastre se demostró finalmente correctos. Este primer vuelo ampliamente publicitada dado lugar a un esfuerzo más organizado entre los aviadores y científicos, abriendo el camino a la aerodinámica moderna.

Durante la época de los primeros vuelos, Frederick W. Lanchester , [17] Martin Wilhelm Kutta , y Nikolai Zhukovsky independiente creado teorías que conectaba la circulación de un flujo de fluido a levantar. Kutta Zhukovsky y pasó a desarrollar una teoría del ala de dos dimensiones. Ampliando el trabajo de Lanchester, Ludwig Prandtl se acredita con el desarrollo de las matemáticas [18] detrás de las teorías delgada superficie de sustentación y el levantamiento de la línea, así como el trabajo con capas límite . Prandtl, profesor de la Universidad de Göttingen , instruyó a muchos estudiantes que jugarían un papel importante en el desarrollo de la aerodinámica, como Theodore von Kármán y Munk Max .

[ editar ] Problemas de diseño con velocidad creciente

Compresibilidad es un factor importante en la aerodinámica. A bajas velocidades, la compresibilidad del aire no es significativo en relación con aeronaves diseño, pero como el flujo de aire se acerca y excede la velocidad del sonido , una serie de nuevos efectos aerodinámicos se vuelven importantes en el diseño de aviones. Estos efectos, a menudo varias de ellas a la vez, hace que sea muy difícil para la Segunda Guerra Mundial los aviones era alcanzar velocidades mucho más allá de 800 km / h (500 mph).

Algunos de los efectos secundarios incluyen cambios en el flujo de aire que conducen a problemas en el control. Por ejemplo, el P-38 Lightning , con su gruesa de gran elevación ala tenía un problema particular en alta velocidad, saltos que dio lugar a una condición de la nariz hacia abajo. Los pilotos entraría inmersiones, y luego descubren que ya no podía controlar el avión, que siguió a la nariz otra vez hasta que se estrelló. El problema se solucionó mediante la adición de un "flap buceo" debajo del ala que alteró el centro de distribución de la presión para que el ala no perdiera su elevación. [19]

Un problema similar afectó a algunos modelos del Supermarine Spitfire . A altas velocidades, los alerones se podría aplicar más par que alas finas, el Spitfire podría manejar, y el ala entera se retuerza en la dirección opuesta. Esto significaba que el avión ruede en la dirección opuesta a la que el piloto dirigido, y condujo a un número de accidentes. Los modelos anteriores no fueron lo suficientemente rápidos para que esto sea un problema, por lo que no se nota hasta que Spitfires posteriores modelos como el Mk.IX comenzaron a aparecer. Esto fue atenuado por la adición de rigidez a la torsión considerable para las alas, y se curó totalmente cuando la Mk.XIV se introdujo.

El Messerschmitt Bf 109 y Mitsubishi Zero tenía el problema opuesto exacto en el que los controles se convirtió en ineficaz. A velocidades más altas que el piloto no podía mover los controles porque no había demasiada corriente de aire sobre las superficies de control. Los aviones se vuelven difíciles de maniobrar, y en aviones de alta velocidad suficiente sin este problema podría sacarlos a paso.

Estos problemas se resolvieron con el tiempo como aeronaves jet alcanzó transónicas y supersónica velocidad. Científicos alemanes en la Segunda Guerra Mundial experimentó con alas en flecha . Su investigación se aplicó en el MiG-15 y Sabre F 86- y bombarderos como el B-47 Stratojet utilizado alas en flecha que retrasan la aparición de ondas de choque y reducir la fricción.

Con el fin de mantener el control de cerca y por encima de la velocidad del sonido es a menudo necesario utilizar cualquiera de accionamiento a motor todo-vuelo planos de cola ( stabilators ), o alas delta equipados con accionamiento mecánico elevones . Operación de alimentación impide que las fuerzas aerodinámicas reemplazar los insumos de los pilotos de control.

Por último, otro problema común que encaja en esta categoría es el aleteo . En algunas velocidades del flujo de aire sobre las superficies de control será turbulento, y los controles se iniciará a aletear. Si la velocidad del aleteo está cerca de un armónico de movimiento del control, la resonancia podría romper el control completamente. Esto era un problema serio en el Zero. Cuando los problemas con el mal control a alta velocidad se encuentra en primer lugar, que fueron abordadas por el diseño de un nuevo estilo de superficie de control con más poder. Sin embargo, esto introduce un nuevo modo de resonancia, y un número de aviones se perdieron antes de que este se descubrió.

Todos estos efectos se mencionan a menudo en conjunción con el término "compresibilidad", pero en una manera de hablar, se usan incorrectamente. Desde un punto de vista aerodinámico estrictamente, el término debe referirse únicamente a los efectos secundarios que surgen como resultado de los cambios en el flujo de aire de un fluido incompresible (similar en efecto al agua) para un fluido compresible (que actúa como un gas) como la velocidad del sonido se acercó. Hay dos efectos, en particular, la fricción de onda y crítico mach .

Fricción de onda es un aumento repentino en la fricción en la aeronave, causado por el aire se acumule en frente de ella. A velocidades más bajas este aire tiene tiempo para "salir de la forma", guiado por el aire delante de la misma que está en contacto con la aeronave. Pero a la velocidad del sonido este ya no puede ocurrir, y el aire que fue previamente tras la racionalizar alrededor de la aeronave ahora golpea directamente. La cantidad de potencia necesaria para superar este efecto es considerable. El mach crítico es la velocidad a la que una parte del aire que pasa sobre el ala de la aeronave vuelve supersónico.

A la velocidad de sonido en la forma que la sustentación es generada cambia dramáticamente, de ser dominado por el principio de Bernoulli a fuerzas generadas por las ondas de choque . Puesto que el aire en la parte superior del ala se desplaza más rápido que en la parte inferior, debido al efecto de Bernoulli, a velocidades cercanas a la velocidad del sonido será el aire en la parte superior del ala se aceleró hasta supersónico. Cuando esto sucede, la distribución de los cambios de elevación dramáticamente, causando típicamente una potente nariz hacia abajo del ajuste. Puesto que la aeronave normalmente se acercó a estas velocidades sólo en una inmersión, los pilotos informará de la aeronave intentar nariz sobre en el suelo.

Disociación absorbe una gran cantidad de energía en un proceso reversible. Esto reduce enormemente la temperatura termodinámica del gas hipersónico desacelerado cerca de un vehículo aeroespacial. En las regiones en transición, donde esta disociación dependiente de la presión es incompleta, tanto el diferencial, la capacidad constante de calor y presión beta (el cociente diferencial de volumen / presión) aumentará en gran medida. Este último tiene un efecto pronunciado sobre la aerodinámica del vehículo, incluyendo la estabilidad.

[ edit ] Más rápido que el sonido - más tarde siglo 20

Como avión comenzó a viajar más rápido, aerodinámica dio cuenta de que la densidad del aire empezó a cambiar en que entró en contacto con un objeto, lo que conduce a una división del flujo de fluido en el incompresibles y compresibles regímenes. En aerodinámica compresibles, la densidad y la presión tanto de cambio, que es la base para el cálculo de la velocidad del sonido . Newton fue el primero en desarrollar un modelo matemático para el cálculo de la velocidad del sonido, pero no fue correcto hasta que Pierre-Simon Laplace representó el comportamiento molecular de los gases y se introdujo el ratio de capacidad calorífica . La relación de la velocidad de flujo a la velocidad del sonido fue nombrado el número de Mach después de Ernst Mach , que fue uno de los primeros en investigar las propiedades de supersónico de flujo que incluye Schlieren fotografía técnicas para visualizar los cambios en la densidad. William John Macquorn Rankine y Pierre Henri Hugoniot desarrollado independientemente la teoría de las propiedades de flujo antes y después de una onda de choque . Jakob Ackeret dirigió el trabajo inicial en el cálculo de la elevación y arrastre sobre una superficie aerodinámica supersónica. [20] Theodore von Kármán y Hugh Latimer Dryden introdujo el término transónico para describir velocidades de flujo alrededor de Mach 1, donde arrastre aumenta rápidamente. Debido al incremento en la resistencia cercanas a Mach 1, en aerodinámica y aviadores desacuerdo de si el vuelo supersónico era alcanzable.

Imagen que muestra las ondas de choque de la NASA X-43A vehículo hipersónico investigación en vuelo a Mach 7, generado mediante un fluido computacional dinámica algoritmo.

El 30 de septiembre 1935 un congreso exclusivo se celebró en Roma con el tema de la huida a gran velocidad y la posibilidad de romper la barrera del sonido . [21] Entre los participantes Theodore von Kármán , Ludwig Prandtl , Ackeret Jakob , Jacobs Eastman , Adolf Busemann , Geoffrey Ingram Taylor , Gaetano Arturo Crocco , y Pistolesi Enrico. Ackeret presenta el diseño de un túnel de viento supersónico . Busemann hizo una presentación sobre la necesidad de una aeronave con alas en flecha de vuelo a alta velocidad. Eastman Jacobs, trabajando por NACA , presentó sus perfiles optimizados para altas velocidades subsónicas que llevaron a algunos de los aviones de alto rendimiento estadounidense durante la Segunda Guerra Mundial . Propulsión supersónica también fue discutido. La barrera del sonido se rompió con el Bell X-1 avión doce años después, gracias en parte a esos individuos.

En el momento de la barrera del sonido se rompió, gran parte del conocimiento subsónico y supersónico bajo aerodinámica había madurado. La Guerra Fría dio pie a una línea de constante evolución de las aeronaves de alto rendimiento. dinámica de fluidos computacional se inició como un esfuerzo por resolver para las propiedades de flujo alrededor de objetos complejos y ha crecido rápidamente hasta el punto de que se puede avión completo diseñado utilizando una computadora, con el túnel de viento pruebas seguido de pruebas de vuelo para confirmar las predicciones de ordenador.

Con algunas excepciones, el conocimiento de hipersónicos aerodinámica ha madurado entre los años 1960 y la década actual. Por lo tanto, los objetivos de una aerodinámica han pasado de entender el comportamiento del flujo de fluido a la comprensión de cómo diseñar un vehículo para interactuar adecuadamente con el flujo de fluidos. Por ejemplo, mientras que el comportamiento de flujo hipersónico se entiende, la construcción de un scramjet aeronave para volar a velocidades hipersónicas ha tenido un éxito muy limitado. Junto con la construcción de un avión scramjet éxito, el deseo de mejorar la eficiencia aerodinámica de la aeronave y los sistemas de propulsión de corriente continuará alimentando una nueva investigación en la aerodinámica. Sin embargo, hay problemas todavía importantes en la teoría aerodinámica básica, como en la predicción de transición a la turbulencia, y la existencia y unicidad de las soluciones a las ecuaciones de Navier-Stokes.

[ edit ] supuesto de continuidad

El fundamento de predicción aerodinámico es la suposición de continuidad. En realidad, los gases están compuestos de moléculas que chocan unos con otros y los objetos sólidos. Para obtener las ecuaciones de la aerodinámica, propiedades de los fluidos tales como la densidad y la velocidad se supone que es bien definidos en los puntos infinitamente pequeños, y para variar continuamente de un punto a otro. Es decir, la naturaleza discreta molecular de un gas se ignora.

El supuesto de continuidad es menos válido como un gas se vuelve más enrarecido. En estos casos, la mecánica estadística es un método más válido de resolver el problema de la aerodinámica continua. El número de Knudsen se puede utilizar para guiar la elección entre la mecánica estadística y la formulación continua de la aerodinámica.

[ editar ] Leyes de conservación

Control de volumen esquemático de flujo interno con una entrada y una salida incluyendo una fuerza axial, el trabajo y la transferencia de calor. Estado 1 es la entrada y el estado 2 es la salida.

Problemas aerodinámicos normalmente se resuelve utilizando leyes de conservación tal como se aplica a un fluido continuo . Las leyes de conservación se puede escribir en integral o diferencial de la forma. En muchos problemas básicos, tres principios de conservación se utilizan:

  • Continuidad : Si una cierta masa de fluido entra en un volumen, o bien debe salir el volumen o cambiar la masa en el interior del volumen. En la dinámica de fluidos, la ecuación de continuidad es análoga a la ley de corriente de Kirchhoff en circuitos eléctricos. La forma diferencial de la ecuación de continuidad es:
\ {\ Partial \ rho \ over \ partial t} + \ nabla \ cdot (\ rho \ vec {u}) = 0.

Arriba, \ Rho es la densidad del fluido, u es un vector de velocidad, y t es el tiempo. Físicamente, la ecuación muestra también que la masa no se crea ni destruye en el volumen de control. [22] Para un estado estacionario proceso, la velocidad a la que entra en el volumen de masa es igual a la velocidad a la que sale el volumen. [23] Por consiguiente, el primer término de la izquierda es entonces igual a cero. Para el flujo a través de un tubo con una entrada (estado 1) y salida (estado 2) como se muestra en la figura en esta sección, la ecuación de continuidad puede ser escrito y resuelto como:

\ \ Rho_ {1} u_ {1} A_ {1} = \ rho_ {2} u_ {2} A_ {2}.

Arriba, A es la sección transversal variable zona del tubo en la entrada y salida. Para flujos incompresibles, la densidad permanece constante.

\ {D \ vec {u} \ over D t} = \ vec {F} - {\ nabla p \ over \ rho}

Por la misma figura, un rendimiento de control de volumen de análisis:

\ P_ {1} A_ {1} + \ rho_ {1} A_ {1} u_ {1} ^ 2 + F = p_ {2} A_ {2} + \ rho_ {2} A_ {2} u_ {2} ^ 2.

Arriba, la fuerza F se coloca en el lado izquierdo de la ecuación, suponiendo que actúa con el flujo se mueve en una dirección de izquierda a derecha. Dependiendo de las otras propiedades del flujo, la fuerza resultante podría ser negativo lo que significa que actúa en la dirección opuesta como se muestra en la figura. En la aerodinámica, el aire es normalmente supone que es un fluido newtoniano , la cual propone una relación lineal entre la tensión de cizallamiento (las fuerzas de fricción internas) y la tasa de deformación del fluido. La ecuación anterior es una ecuación vectorial: en un flujo tridimensional, se puede expresar como tres ecuaciones escalares. La conservación de las ecuaciones de movimiento a menudo se llaman las ecuaciones de Navier-Stokes, mientras que otros utilizan el término para el sistema que incluye conversación de la masa, la conservación del momento, y la conservación de la energía.

\ \ Rho {Dh \ over dt} = {D p \ over D t} + \ nabla \ cdot \ left (k \ nabla T \ right) + \ Phi

Por encima, h es la entalpía , k es la conductividad térmica del fluido, T es la temperatura, y \ Phi es la función de disipación viscosa. La función de disipación viscosa regula la velocidad a la que se convierte la energía mecánica del flujo de calor. El término siempre es positivo ya que, de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica , la viscosidad no se puede añadir energía al volumen de control. [24] La expresión en el lado izquierdo es una derivada material . Usando de nuevo la figura, la ecuación de energía en términos de volumen de control puede ser escrita como:

\ \ Rho_ {1} u_ {1} A_ {1} \ left (h_ {1} + {u_ {1} {2} \ over 2} \ right) + \ punto {W} + \ punto {Q} = \ rho_ {2} u_ {2} A_ {2} \ left (H_ {2} + {u_ {2} {2} \ over 2} \ right).

Arriba, el eje de trabajo \ Punto {W} y de transferencia de calor \ Punto {Q} Se supone que se actúa sobre el flujo. Ellos pueden ser positivos (para el flujo desde el entorno) o negativo (al entorno del flujo) en función del problema.

La ley de los gases ideales u otra ecuación de estado se utiliza a menudo en conjunción con estas ecuaciones para formar un sistema determinado para resolver para las variables desconocidas.

[ edit ] aerodinámica incompresibles

Un flujo incompresible se caracteriza por una densidad constante a pesar de que fluye sobre las superficies o de los conductos en el interior. Si bien todos los fluidos reales son compresibles, un problema de flujo es a menudo considerado incompresible si los cambios de densidad en el problema de tener un efecto pequeño sobre los resultados de interés. Esto es más probable que sea cierto cuando las velocidades de flujo son significativamente más baja que la velocidad del sonido. Para velocidades más altas, el flujo se comprimirán más significativamente a medida que entra en contacto con superficies y ralentiza. El número de Mach se utiliza para evaluar si la incompresibilidad se puede suponer o el flujo debe ser resuelto como compresible.

[ editar ] Flujo subsónico

Subsónicas (o de baja velocidad) aerodinámica es el estudio del movimiento del fluido que está en todas partes mucho más lenta que la velocidad del sonido a través del fluido o gas. Hay varias ramas de flujo subsónico pero un caso especial surge cuando el flujo es no viscoso , incompresible y irrotacional . Este caso se llama flujo potencial y permite a las ecuaciones diferenciales que solía ser una versión simplificada de las ecuaciones de la dinámica de fluidos , con lo que dispone la aerodinámica una gama de soluciones rápidas y fáciles. [25]

En la solución de un problema subsónico, una decisión que debe tomarse por la aerodinámica es si se debe incorporar los efectos de compresibilidad. La compresibilidad es una descripción de la cantidad de cambio de densidad en el problema. Cuando los efectos de la compresibilidad en la solución son pequeñas, la aerodinámica puede optar por asumir que la densidad es constante. El problema es entonces una incompresible problema de baja velocidad aerodinámica. Cuando la densidad se permite que varíe, el problema se llama un problema compresible. En el aire, los efectos de compresibilidad son generalmente ignorados cuando el número de Mach en el flujo no exceda de 0,3 (unos 335 pies (102 m) por segundo o 228 millas (366 km) por hora a 60 ° F). Por encima de 0,3, el problema debe ser resuelto mediante el uso de la aerodinámica compresibles.

[ edit ] aerodinámica compresibles

Según la teoría de la aerodinámica, un flujo se considera que es compresible si su cambio en densidad con respecto a la presión no es cero a lo largo de un racionalizar . Esto significa que - a diferencia de flujo incompresible - cambios en la densidad debe ser considerado. En general, este es el caso en el que el número de Mach en parte o todo el flujo supera 0,3. El Mach .3 valor es bastante arbitraria, pero se usa porque los flujos de gas con un número de Mach debajo de ese valor demostrar cambios en la densidad con respecto al cambio en la presión de menos de 5%. Además, que el cambio máximo 5% de densidad se produce en el punto de estancamiento de un objeto sumergido en el flujo de gas y los cambios de la densidad de todo el resto del objeto será significativamente menor. Transonic, flujos supersónicos, y hipersónico son todos compresible.

[ edit ] flujo Transonic

El término Transonic se refiere a un rango de velocidades justo por debajo y por encima del local de velocidad del sonido (generalmente tomado como Mach 0,8 hasta 1,2). Se define como el rango de velocidades entre el número de Mach crítico , cuando algunas partes del flujo de aire sobre un avión convertido supersónico , y una velocidad más alta, típicamente cerca de Mach 1,2 , cuando todo el flujo de aire es supersónico. Entre estas velocidades, algo de la corriente de aire es supersónico, y algunos no lo es.

[ editar ] Flujo supersónico

Supersonic problemas aerodinámicos son los que implican velocidades de flujo superiores a la velocidad del sonido. Cálculo de la elevación en el Concorde durante el crucero puede ser un ejemplo de un problema aerodinámico supersónico.

Flujo supersónico se comporta de manera muy diferente de flujo subsónico. Los líquidos reaccionan a las diferencias de presión, los cambios de presión son como un fluido ", dijo" para responder a su entorno. Por lo tanto, puesto que el sonido es de hecho una diferencia de presión infinitesimal propaga a través de un fluido, la velocidad del sonido en el fluido que se puede considerar la velocidad más rápida que la "información" puede viajar en el flujo. Esta diferencia más obvia se manifiesta en el caso de un fluido de golpear un objeto. En frente de ese objeto, el líquido se acumula una presión de estancamiento como el impacto con el objeto lleva el fluido en movimiento para descansar. En el líquido se desplaza a velocidad subsónica, esta perturbación puede propagarse presión aguas arriba, cambiando el patrón de flujo delante del objeto y dando la impresión de que el líquido "sabe" el objeto está allí y lo está evitando. Sin embargo, en un flujo supersónico, la perturbación de la presión no puede propagarse aguas arriba. Así, cuando el líquido finalmente hace golpear el objeto, que es forzado a cambiar sus propiedades - temperatura , densidad , presión , y el número de Mach -de una manera extremadamente violenta y irreversible de moda llamado una onda de choque . La presencia de ondas de choque, junto con los efectos de la compresibilidad de alta velocidad (véase el número de Reynolds ) fluidos, es la diferencia central entre los problemas de aerodinámica supersónicas y subsónicas.

[ editar ] Flujo hipersónico

En aerodinámica, la velocidad hipersónica son las velocidades que son altamente supersónico. En la década de 1970, el término llegó a referirse en general a una velocidad de Mach 5 (5 veces la velocidad del sonido) o más. El régimen hipersónico es un subconjunto del régimen supersónico. Flujo hipersónico se caracteriza por el flujo de alta temperatura detrás de una onda de choque, la interacción viscosa, y química de disociación de gas.

[ edit ] Associated terminología

Los diferentes tipos de análisis de flujo alrededor de una superficie de sustentación:
  Flujo potencial teoría
  Capa límite flujo teoría
  Estela turbulenta análisis

El incompresible y los regímenes de flujo compresible producir muchos fenómenos asociados, como las capas límite y turbulencia.

[ edit ] capas límite

El concepto de una capa límite es importante en muchos problemas aerodinámicos. La viscosidad y la fricción del fluido en el aire se aproxima como ser significativa sólo en esta capa delgada. Este principio hace aerodinámica mucho más manejable matemáticamente.

[ editar ] La turbulencia

En aerodinámica, la turbulencia se caracteriza por cambios caóticos, propiedad estocásticos en el flujo. Esto incluye la difusión bajo impulso, impulso de alta convección, y la variación rápida de la presión y la velocidad en el espacio y el tiempo. Flujo que no es turbulento se llama flujo laminar.

[ edit ] Aerodinámica en otros campos

La aerodinámica es importante en un número de otras aplicaciones de ingeniería aeroespacial. Es un factor importante en cualquier tipo de diseño de vehículos , incluyendo automóviles . Es importante en la predicción de las fuerzas y momentos en la vela . Se utiliza en el diseño de componentes mecánicos tales como unidades de disco duro cabezas. ingenieros estructurales también utilizar aerodinámica, y particularmente aeroelasticidad , para calcular viento cargas en el diseño de grandes edificios y puentes . Aerodinámica Urbano busca ayudar a los urbanistas y diseñadores de mejorar el confort en los espacios al aire libre, crear microclimas urbanos y reducir los efectos de la contaminación urbana. El campo de la aerodinámica ambiental estudia las formas de circulación atmosférica y mecánica de vuelo afectan a los ecosistemas. La aerodinámica de los pasajes internos es importante en la calefacción / ventilación , tuberías de gas , y en motores de automóviles , donde los patrones de flujo detallados afectan en gran medida el rendimiento del motor.

[ editar ] Véase también

[ editar ] Referencias

  1. ^ "... no hay que pensar que la sustentación aerodinámica (la fuerza que hace volar los aviones) es un concepto moderno que era desconocido para los antiguos. El primer uso conocido de la energía eólica, por supuesto, es el barco de vela, y esta tecnología tuvo un impacto importante en el desarrollo posterior de los molinos de viento de tipo vela. marineros antiguos entendido ascensor y usa todos los días, a pesar de que no tenía la física para explicar cómo o ​​por qué funciona. "Beginnings" la energía eólica (1000 AC - 1300 DC) Ilustrado Historia del desarrollo de energía eólica ". Telosnet.com.  
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[ editar ] Otras lecturas

Aerodinámica Generales

Aerodinámica subsónica

Aerodinámica Transonic

La aerodinámica supersónica

Aerodinámica Hypersonic

Historia de Aerodinámica

Aerodinámica relacionados con la Ingeniería

Vehículos terrestres

Aeronaves de ala fija

Helicópteros

Misiles

Aeromodelismo

Ramas Afines de Aerodinámica

Aerotermodinámica

Aeroelasticidad

Capas límite

Turbulencia

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