¿Qué causa la reducción de la velocidad a través de la onda de choque?

Si observa qué causa el choque, debe haber una obstrucción en la raíz. Vea el esquema a continuación para un amortiguador de compresión recto y oblicuo:

En el caso del choque directo, puede ser un cuerpo romo o una entrada llena de aire de mayor presión y movimiento más lento. En el caso del choque oblicuo, es claramente la curva en el contorno de la pared lo que obliga al flujo a cambiar de dirección.

El índice 1 denota las condiciones anteriores al choque y el 2 las condiciones posteriores al choque. Para choques rectos débiles, el producto de la velocidad por delante del choque$v_1$y la velocidad más allá del choque$v_2$es igual al cuadrado de la velocidad del sonido:

$$v_1\cdot v_2 = a^2$$ Si llamamos al número de Mach local $Ma$, y si $Ma_1 > 1$, después $Ma_2$debe ser menor que 1, por lo que el flujo siempre se desacelera a una velocidad subsónica por un choque directo. Lo mismo vale para el componente normal de un choque oblicuo: también se vuelve subsónico. Dado que la energía total del gas no cambia, su presión, densidad y temperatura aumentan cuando se desacelera.

El cambio de presión incremental$\delta p$debido a la curva con un ángulo incremental de$\delta\vartheta$, expresado en términos del flujo no perturbado con el índice$\infty$, es proporcional al cambio en las líneas de corriente:

$$\delta p = -\frac{\rho_{\infty}\cdot v^2_{\infty}}{\sqrt{Ma^2_{\infty} - 1}}\cdot\delta\vartheta$$

La presión del gas a nivel molecular es el número y la gravedad de las colisiones de partículas . Las moléculas de aire experimentan más colisiones en el lado aguas abajo del choque, ya que la presión del aire es más alta allí. La dirección promedio de las colisiones adicionales es de hecho ortogonal al choque, porque es el límite entre las moléculas felizmente inconscientes a la presión ambiental antes del choque y sus hermanos magullados río abajo que acaban de cruzar ese límite. Una vez que una molécula ha pasado el choque, las colisiones se producen de nuevo por igual desde todos los lados y su velocidad no cambia más.

En velocidades subsónicas, este cambio de presión puede irradiarse en todas las direcciones y convertirse en un gradiente de presión poco profundo. A velocidad supersónica, ninguna información sobre el próximo cambio de presión puede avanzar, por lo que el cambio se concentra en el frente de choque.

El mecanismo no es tan complicado como podría parecer a primera vista. Lo primero, ¿qué es un flujo supersónico? Es un flujo donde la velocidad del aire es superior a Mach > 1 y si estamos hablando de aire que proviene de un flujo subsónico aguas arriba, el aire estará a menor presión (eso es lo que sucede en la superficie superior de un ala). ).

Entonces, aire de alta velocidad con baja presión que trata de moverse a lo largo del ala hasta el final del ala (el borde de fuga), pero al final del ala el aire está a la presión subsónica corriente arriba... entonces, aire a una presión más alta generalmente intenta entrar en aire a baja presión... pero el aire supersónico tiene mucha inercia.

Finalmente terminamos teniendo aire de alta velocidad muy difícil de detener... estamos hablando de velocidades muy altas y la única forma en que el aire puede adaptarse es en un espacio muy pequeño con una onda de choque.

Ese es el mecanismo que se llama "onda de choque en gradiente de presión adverso".

Hay otro mecanismo que se ha descrito anteriormente, el flujo supersónico contra obstáculos.

Imagina que tenemos un flujo supersónico moviéndose hacia un escalón, o una rampa... obviamente el aire vuelve a tener la misma alta inercia, es supersónico!!! Pero el aire "no sabe" que hay una rampa. ¿Por qué no? Debido a que la información dentro del fluido se mueve a la velocidad del sonido, las moléculas del aire que saltan de la rampa no pueden alcanzar a las otras moléculas lo suficientemente rápido.

Entonces... ¡un flujo de alta inercia se mueve hacia una rampa y de repente nota una rampa que el flujo no se estaba adaptando antes y necesita adaptarse! Lo mismo ocurre de repente de una manera muy similar a la anterior.

Otra forma de entender el mecanismo es observando las ondas que se crean cuando arrojamos una piedra al agua. ¿Qué pasa cuando se acercan a la orilla? Continúan como si no hubiera orilla hasta que, de repente, la notan y mueren o saltan sobre ella. Es el mismo mecanismo (en realidad el mismo!!! movimientos supersónicos en "ondas").

Finalmente, solo para comentar que la onda de choque tiene un tamaño finito, es realmente pequeña pero no es una superficie de espesor 0. Observe que tenemos un área donde una alta velocidad se transforma en una baja velocidad en un espacio muy pequeño. Allí la viscosidad juega algún efecto.