Ondas de choque en M=1M=1M = 1 y M>1M>1M > 1

Cuando una onda se mueve más rápido que la velocidad local del sonido ( C s ) en un fluido, hay una onda de choque ya que el fluido no puede responder a la onda en movimiento. Incluso si la velocidad ( v ) es constante, si la presión ( pag ) varía, puede haber un choque si se excede la velocidad local del sonido (es decir, v ≥ C s → METRO ≥ 1 ) . Por lo tanto, para confirmar, ¿no hay siempre presente una onda de choque mientras la onda sea supersónica? ¿Cambia simplemente el tipo de choque (por ejemplo, normal, oblicuo) como se alude aquí ?

¿Hay alguna diferencia de METRO = 1 ondas de choque y METRO > 1 ondas de choque? Por ejemplo, este artículo describe una transición sin sacudidas de flujo supersónico a subsónico, pero ¿qué significa eso conceptualmente?

esto podría tener una respuesta en ingeniería, si alguien que trabaja con aviones de combate lo ve.

Respuestas (1)

No me queda del todo claro lo que preguntas. Parece que está preguntando varias cosas a la vez, y su solicitud de 'una explicación detallada de la influencia del número de mach en las ondas de choque y cómo se puede lograr una transición sin golpes de supersónico a subsónico' parece muy amplia. Por ejemplo, hay libros de texto completos que tratan sobre el flujo supersónico y la naturaleza y el comportamiento de los choques.

Sin embargo, intentaré responder a sus preguntas lo mejor que pueda, para ver si puedo ayudar a aclarar cualquier concepto erróneo:

¿No hay siempre una onda de choque presente mientras la onda sea supersónica?

Supongo que aquí te refieres a una onda de presión que viaja a través de un gas estacionario. Creo que si la onda viaja más rápido que la velocidad del sonido aguas arriba, entonces debe ser un shock, ya que ningún otro tipo de onda de presión puede viajar más rápido que el sonido. Tenga en cuenta que solo es supersónico desde el punto de vista del gas aguas arriba , que fluye hacia el amortiguador. El choque se mueve subsónicamente, en relación con el gas aguas abajo (es decir, el gas que sale del choque). Esto se debe a que la densidad local aumenta a lo largo del choque, por lo que la velocidad local del sonido aguas abajo del choque es mayor que la velocidad del choque.

¿Cambia simplemente el tipo de choque (p. ej., normal, oblicuo) como se menciona aquí?

No tengo claro qué es exactamente lo que está preguntando aquí: ¿cambia el tipo debido a qué condiciones? Parece que te refieres al cono de entrada de un motor a reacción supersónico. En este caso, el objetivo es desacelerar el flujo de supersónico a subsónico (usted quiere condiciones subsónicas para la combustión en la mayoría de los motores típicos) con una pérdida mínima de energía. Esto se hace primero enviando el flujo a través de una serie de choques oblicuos y luego finalmente a través de un choque normal (débil). Esto es bueno porque los choques oblicuos tienden a ser más débiles que los choques normales e incurren en pérdidas menores. Si no hubiera un cono de entrada, entonces el flujo supersónico tendría que pasar por un gran choque normal frente al motor, lo que sería muy ineficiente y con pérdidas.

¿Hay alguna diferencia entre las ondas de choque M=1 y las ondas de choque M>1?

Creo que usted puede tener un concepto erróneo aquí. Las ondas de choque son fenómenos de flujo supersónico , por lo que técnicamente no puedes tener un choque en M=1. En M=1, está a punto de causar una descarga, pero en realidad no tendrá una descarga hasta que supere la barrera del sonido. Lo siento si parece un poco pedante, pero creo que es un punto importante: no hay descargas 'M=1', solo descargas M>1. Si el flujo está en M=1.00000001, entonces todavía es M>1. (tenga en cuenta que aquí me estoy refiriendo al número de Mach local del flujo, no al número de Mach 'promedio' global, por ejemplo, para un avión)

La diferencia clave a entender es entre descargas normales y oblicuas. Los choques normales son más fuertes y siempre van de M>1 a M<1, es decir, toman un flujo de supersónico a subsónico. Los choques oblicuos son menos fuertes. Pueden tomar flujo de M>1 a M<1, pero también pueden ir de M>1 a M>1, es decir, de supersónico a supersónico (pero menor M). De hecho, en la dirección normal al choque, un choque oblicuo también toma flujo de supersónico a subsónico, sin embargo, el flujo aguas abajo del choque oblicuo sigue siendo supersónico, porque hay un componente de velocidad de flujo tangencial al choque, que es no alterado por el choque. Esta página de Wikipedia sería un buen lugar para comenzar, si desea obtener más información sobre los choques oblicuos.

Por ejemplo, este artículo describe una transición sin sacudidas de flujo supersónico a subsónico, pero ¿qué significa eso conceptualmente?

No leí el artículo completo, pero parece que se está refiriendo a reducir la velocidad de un flujo supersónico en la entrada de un motor a reacción supersónico, como mencioné anteriormente, pero de una manera que evite las sacudidas, lo cual sería ideal. , porque así evitaría esas pérdidas. Esto parece plausible, porque si observa la teoría del flujo compresible 1D, la velocidad del flujo responde a los cambios en el área de paso del flujo: el flujo supersónico debería disminuir si se reduce el área del flujo. Entonces, parece que pudo haber encontrado alguna técnica geométrica inteligente que permite que el flujo se reduzca a subsónico sin tener que pasar por esos choques generadores de entropía (que estoy seguro que sería de interés en el diseño de motores supersónicos).

Espero que eso ayude.

Editar:

Para el flujo isoentrópico 1D, esta es la ecuación clave que relaciona el área del conducto con la velocidad:

d V d A = V A ( METRO 2 − 1 )

dónde V es la velocidad, A es el área del conducto y METRO es el número de Mach. Puedes ver de esto que si METRO < 1 , d V d A es negativo y si METRO > 1 , d V d A es positivo. Por lo tanto, en teoría es posible desacelerar isentrópicamente un flujo supersónico reduciendo el área de flujo, sin necesidad de choques.

Si desea saber más sobre esto, creo que leer algunos capítulos de un libro de texto de flujo comprimible lo ayudaría mucho y ayudaría a responder muchas de sus preguntas.

Solo para aclarar: podría ser una onda de presión o cualquier objeto (por ejemplo, una roca) que se mueva a velocidades supersónicas en relación con un gas estacionario que podría causar una onda de choque, ¿correcto? Tal vez estoy malinterpretando el concepto de choques oblicuos y lo que sucede a nivel molecular (ya que la entropía es escalar y no un vector). ¿Podría explicar el mecanismo de cómo las partículas pueden moverse paralelas pero no en la dirección normal a un choque? Además, mostrar las ecuaciones 1-D explícitas a las que hace referencia y dónde surge el término del área (y cómo esto puede evitar choques/entropía) resolvería el problema para mí.
@ Mathews24 si hay algún movimiento relativo a un gas que se encuentra a velocidades supersónicas, casi siempre habrá un choque involucrado en alguna parte, ya sea el gas en movimiento o un objeto que se mueve en el gas. Creo que la página de Wikipedia sería un buen lugar para comenzar a mejorar su comprensión de los choques oblicuos. Agregaré el enlace en mi respuesta.
@ Mathews24 proporcionar una derivación completa de la teoría del flujo compresible 1D está más allá del alcance de este sitio. La mayoría de los libros de texto sobre flujo compresible tendrán un capítulo completo que trata sobre el flujo adiabático 1D, ya que las matemáticas son bastante complicadas. Lo que haré es citar la única ecuación que relaciona el número de Mach con el área de un conducto; por lo demás, le recomiendo que consulte un libro de texto.
Tendré que citar la ecuación mañana; no tengo el libro de texto conmigo en este momento.
No se requiere una derivación completa, solo estaba interesado en saber qué términos específicos en la ecuación a la que hacía referencia y cómo estos términos se influyen entre sí (por ejemplo, en qué término surge el área y cómo un cambio apropiado en el término del área da como resultado un cambio cero en entropía).
@ Time4Tea: hay un punto de corrección muy pequeño para hacer una buena respuesta. La noción de que no se formará un choque si el pistón se mueve en M = 1 generalmente no es cierta. Si el pistón tiene solo un área de sección transversal, esto puede ser cierto. Si el pistón tiene múltiples secciones transversales diferentes, entonces puede haber choques locales que se forman a partir de las diferentes densidades de ondas en estos lugares. A menudo ocurre que hay múltiples choques cerca de los aviones de combate, por ejemplo, antes y durante el cruce del límite M = 1.
@ Time4Tea Solo haciendo un seguimiento con respecto al método / términos matemáticos sobre cómo se evitan las descargas cuando se pasa de supersónico a subsónico.
@ Mathews24 He agregado la ecuación clave para el flujo isoentrópico 1D al final de la respuesta.
@honeste_vivere He agregado una nota en mi respuesta para aclarar que me refería al número de Mach local , no al global. Solo se puede formar un choque si el número de Mach local del flujo excede M=1. Pero sí, estoy de acuerdo con su punto de que puede tener regiones locales de flujo supersónico, incluso si un cuerpo más grande, como un pistón o un avión, se mueve globalmente a una velocidad inferior a Mach 1.
@ Time4Tea Gracias por la explicación. Sin duda investigaré más y leeré por mi cuenta. Solo para aclarar parte de los conceptos básicos: la discontinuidad/choque solo ocurre en M = 1, ¿correcto? En M > 1, el fluido delante del objeto supersónico se comprime y se frena hasta un punto (es decir, M = 1), y es en esta transición de M > 1 a M < 1 del fluido que se produce un choque/discontinuidad en la presión típicamente ocurre en el fluido, ¿correcto?
@ Mathews24 Creo que una forma más clara de decirlo sería que, a través de un choque, el flujo en la dirección normal al choque pasa de M> 1 a M <1. Entonces, en algún punto dentro del choque, pasa por M=1 mientras desacelera.
Ondas de choque en M=1M=1M = 1 y M>1M>1M > 1
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