Aerodinámica

La aerodinámica, del griego antiguo: ἀήρ aero (aire) + griego antiguo: δυναμική (dinámica), es el estudio del movimiento del aire, particularmente cuando se ve afectado por un objeto sólido, como el ala de un avión. Se trata de temas cubiertos en el campo de la dinámica de fluidos y su subcampo de dinámica de gases. El término aerodinámicaa menudo se usa como sinónimo de dinámica de gases, con la diferencia de que "dinámica de gases" se aplica al estudio del movimiento de todos los gases y no se limita al aire. El estudio formal de la aerodinámica comenzó en el sentido moderno en el siglo XVIII, aunque las observaciones de conceptos fundamentales como la resistencia aerodinámica se registraron mucho antes. La mayoría de los primeros esfuerzos en aerodinámica se dirigieron a lograr un vuelo más pesado que el aire, que fue demostrado por primera vez por Otto Lilienthal en 1891.Desde entonces, el uso de la aerodinámica a través del análisis matemático, las aproximaciones empíricas, la experimentación en el túnel de viento y las simulaciones por computadora ha formado una base racional para el desarrollo del vuelo más pesado que el aire y otras tecnologías. El trabajo reciente en aerodinámica se ha centrado en cuestiones relacionadas con el flujo compresible, la turbulencia y las capas límite y se ha vuelto cada vez más de naturaleza computacional.

Historia

La aerodinámica moderna solo se remonta al siglo XVII, pero los humanos han aprovechado las fuerzas aerodinámicas durante miles de años en veleros y molinos de viento, y las imágenes e historias de vuelo aparecen a lo largo de la historia registrada, como la antigua leyenda griega de Ícaro y Dédalo. Los conceptos fundamentales de continuo, arrastre y gradientes de presión aparecen en el trabajo de Aristóteles y Arquímedes.

En 1726, Sir Isaac Newton se convirtió en la primera persona en desarrollar una teoría de la resistencia del aire, lo que lo convirtió en uno de los primeros aerodinámicos. El matemático holandés-suizo Daniel Bernoulli siguió en 1738 con Hydrodynamica en el que describió una relación fundamental entre la presión, la densidad y la velocidad del flujo para el flujo incompresible conocido hoy como el principio de Bernoulli, que proporciona un método para calcular la sustentación aerodinámica. En 1757, Leonhard Euler publicó las ecuaciones de Euler más generales que podrían aplicarse tanto a flujos compresibles como incompresibles. Las ecuaciones de Euler se ampliaron para incorporar los efectos de la viscosidad en la primera mitad del siglo XIX, lo que dio como resultado las ecuaciones de Navier-Stokes.Las ecuaciones de Navier-Stokes son las ecuaciones de gobierno más generales del flujo de fluidos, pero son difíciles de resolver para el flujo alrededor de todas las formas, excepto las más simples.

En 1799, Sir George Cayley se convirtió en la primera persona en identificar las cuatro fuerzas aerodinámicas del vuelo (peso, sustentación, arrastre y empuje), así como las relaciones entre ellas, y al hacerlo delineó el camino para lograr un vuelo más pesado que vuelo aéreo para el próximo siglo. En 1871, Francis Herbert Wenham construyó el primer túnel de viento, lo que permitió mediciones precisas de las fuerzas aerodinámicas. Las teorías drag fueron desarrolladas por Jean le Rond d'Alembert, Gustav Kirchhoff y Lord Rayleigh. En 1889, Charles Renard, un ingeniero aeronáutico francés, se convirtió en la primera persona en predecir razonablemente la potencia necesaria para un vuelo sostenido.Otto Lilienthal, la primera persona en tener mucho éxito con los vuelos de planeadores, también fue el primero en proponer perfiles aerodinámicos delgados y curvos que producirían una gran sustentación y una baja resistencia. Sobre la base de estos desarrollos, así como de la investigación realizada en su propio túnel de viento, los hermanos Wright volaron el primer avión propulsado el 17 de diciembre de 1903.

Durante la época de los primeros vuelos, Frederick W. Lanchester, Martin Kutta y Nikolai Zhukovsky crearon de forma independiente teorías que conectaban la circulación de un flujo de fluido con la elevación. Kutta y Zhukovsky continuaron desarrollando una teoría del ala bidimensional. Ampliando el trabajo de Lanchester, a Ludwig Prandtl se le atribuye el desarrollo de las matemáticas detrás de las teorías de la superficie aerodinámica delgada y la línea de sustentación, así como el trabajo con las capas límite.

A medida que aumentaba la velocidad de la aeronave, los diseñadores comenzaron a enfrentar desafíos asociados con la compresibilidad del aire a velocidades cercanas a la velocidad del sonido. Las diferencias en el flujo de aire bajo tales condiciones conducen a problemas en el control de la aeronave, mayor resistencia debido a las ondas de choque y la amenaza de falla estructural debido al aleteo aeroelástico. La relación entre la velocidad del flujo y la velocidad del sonido se denominó número de Mach en honor a Ernst Mach, quien fue uno de los primeros en investigar las propiedades del flujo supersónico. Macquorn Rankine y Pierre Henri Hugoniot desarrollaron de forma independiente la teoría de las propiedades de flujo antes y después de una onda de choque, mientras que Jakob Ackeret dirigió el trabajo inicial de cálculo de la sustentación y la resistencia aerodinámica de superficies aerodinámicas supersónicas.Theodore von Kármán y Hugh Latimer Dryden introdujeron el término transónico para describir las velocidades de flujo entre el número de Mach crítico y Mach 1, donde la resistencia aumenta rápidamente. Este rápido aumento en la resistencia hizo que los aerodinámicos y los aviadores no estuvieran de acuerdo sobre si se podía lograr un vuelo supersónico hasta que se rompió la barrera del sonido en 1947 con el avión Bell X-1.

Cuando se rompió la barrera del sonido, la comprensión de los aerodinámicos del flujo subsónico y supersónico bajo había madurado. La Guerra Fría impulsó el diseño de una línea en constante evolución de aviones de alto rendimiento. La dinámica de fluidos computacional comenzó como un esfuerzo por resolver las propiedades de flujo alrededor de objetos complejos y ha crecido rápidamente hasta el punto en que se puede diseñar una aeronave completa utilizando software de computadora, con pruebas en túnel de viento seguidas de pruebas de vuelo para confirmar las predicciones de la computadora. La comprensión de la aerodinámica supersónica e hipersónica ha madurado desde la década de 1960, y los objetivos de los especialistas en aerodinámica han pasado del comportamiento del flujo de fluidos a la ingeniería de un vehículo de manera que interactúe de manera predecible con el flujo de fluido. Diseño de aeronaves para condiciones supersónicas e hipersónicas,

Conceptos fundamentales

Comprender el movimiento del aire alrededor de un objeto (a menudo denominado campo de flujo) permite calcular las fuerzas y los momentos que actúan sobre el objeto. En muchos problemas de aerodinámica, las fuerzas de interés son las fuerzas fundamentales del vuelo: sustentación, arrastre, empuje y peso. De estos, sustentación y arrastre son fuerzas aerodinámicas, es decir, fuerzas debidas al flujo de aire sobre un cuerpo sólido. El cálculo de estas cantidades a menudo se basa en la suposición de que el campo de flujo se comporta como un continuo. Los campos de flujo continuo se caracterizan por propiedades como la velocidad del flujo, la presión, la densidad y la temperatura, que pueden ser funciones de la posición y el tiempo. Estas propiedades pueden medirse directa o indirectamente en experimentos de aerodinámica o calcularse a partir de las ecuaciones para la conservación de la masa, el impulso y la energía en los flujos de aire. Densidad, velocidad de flujo,

Clasificación de flujo

La velocidad del flujo se utiliza para clasificar los flujos según el régimen de velocidad. Los flujos subsónicos son campos de flujo en los que el campo de velocidad del aire está siempre por debajo de la velocidad local del sonido. Los flujos transónicos incluyen regiones de flujo subsónico y regiones en las que la velocidad del flujo local es mayor que la velocidad local del sonido. Los flujos supersónicos se definen como flujos en los que la velocidad del flujo es mayor que la velocidad del sonido en todas partes. Una cuarta clasificación, flujo hipersónico, se refiere a flujos donde la velocidad del flujo es mucho mayor que la velocidad del sonido. Los aerodinámicos no están de acuerdo con la definición precisa de flujo hipersónico.

El flujo comprimible explica la densidad variable dentro del flujo. Los flujos subsónicos a menudo se idealizan como incompresibles, es decir, se supone que la densidad es constante. Los flujos transónicos y supersónicos son comprimibles, y los cálculos que ignoran los cambios de densidad en estos campos de flujo arrojarán resultados inexactos.

La viscosidad está asociada con las fuerzas de fricción en un flujo. En algunos campos de flujo, los efectos viscosos son muy pequeños y las soluciones aproximadas pueden ignorar con seguridad los efectos viscosos. Estas aproximaciones se denominan flujos no viscosos. Los flujos para los que no se desprecia la viscosidad se denominan flujos viscosos. Finalmente, los problemas aerodinámicos también pueden clasificarse por el entorno de flujo. La aerodinámica externa es el estudio del flujo alrededor de objetos sólidos de varias formas (p. ej., alrededor del ala de un avión), mientras que la aerodinámica interna es el estudio del flujo a través de pasajes dentro de objetos sólidos (p. ej., a través de un motor a reacción).

Suposición continua

A diferencia de los líquidos y los sólidos, los gases se componen de moléculas discretas que ocupan solo una pequeña fracción del volumen ocupado por el gas. A nivel molecular, los campos de flujo están formados por las colisiones de muchas moléculas individuales de gas entre sí y con superficies sólidas. Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones aerodinámicas, se ignora la naturaleza molecular discreta de los gases y se supone que el campo de flujo se comporta como un continuo. Esta suposición permite que las propiedades del fluido, como la densidad y la velocidad del flujo, se definan en todas partes dentro del flujo.

La validez de la suposición del continuo depende de la densidad del gas y de la aplicación en cuestión. Para que la suposición del continuo sea válida, la longitud media del camino libre debe ser mucho menor que la escala de longitud de la aplicación en cuestión. Por ejemplo, muchas aplicaciones aerodinámicas se ocupan de aeronaves que vuelan en condiciones atmosféricas, donde la longitud media del camino libre es del orden de micrómetros y donde el cuerpo es de órdenes de magnitud más grandes. En estos casos, la escala de longitud de la aeronave oscila entre unos pocos metros y unas pocas decenas de metros, que es mucho mayor que la longitud media del trayecto libre. Para tales aplicaciones, la suposición continua es razonable. La suposición del continuo es menos válida para flujos de densidad extremadamente baja, como los que encuentran los vehículos a altitudes muy altas (p. ej., 300 000 pies/90 km)o satélites en órbita terrestre baja. En esos casos, la mecánica estadística es un método más preciso para resolver el problema que la aerodinámica continua. El número de Knudsen se puede utilizar para orientar la elección entre la mecánica estadística y la formulación continua de la aerodinámica.

Leyes de conservación

La suposición de un fluido continuo permite resolver problemas de aerodinámica utilizando leyes de conservación de la dinámica de fluidos. Se utilizan tres principios de conservación:Conservación de la masaLa conservación de la masa requiere que la masa no se cree ni se destruya dentro de un flujo; la formulación matemática de este principio se conoce como ecuación de continuidad de masa.Conservación de momentoLa formulación matemática de este principio puede considerarse una aplicación de la Segunda Ley de Newton. El momento dentro de un flujo solo cambia por fuerzas externas, que pueden incluir tanto fuerzas superficiales, como fuerzas viscosas (de fricción), como fuerzas de cuerpo, como el peso. El principio de conservación de la cantidad de movimiento puede expresarse como una ecuación vectorial o separarse en un conjunto de tres ecuaciones escalares (componentes x, y, z).Conservacion de energiaLa ecuación de conservación de energía establece que la energía no se crea ni se destruye dentro de un flujo, y que cualquier adición o sustracción de energía a un volumen en el flujo es causada por transferencia de calor o por trabajo dentro y fuera de la región de interés.

Juntas, estas ecuaciones se conocen como ecuaciones de Navier-Stokes, aunque algunos autores definen el término para incluir solo la(s) ecuación(es) de momento. Las ecuaciones de Navier-Stokes no tienen una solución analítica conocida y se resuelven en aerodinámica moderna utilizando técnicas computacionales. Debido a que los métodos computacionales que utilizan computadoras de alta velocidad no estaban históricamente disponibles y el alto costo computacional de resolver estas ecuaciones complejas ahora que están disponibles, se han empleado y se siguen empleando simplificaciones de las ecuaciones de Navier-Stokes. Las ecuaciones de Euler son un conjunto de ecuaciones de conservación similares que ignoran la viscosidad y pueden usarse en casos en los que se espera que el efecto de la viscosidad sea pequeño. Otras simplificaciones conducen a la ecuación de Laplace y la teoría del flujo potencial. Además, Bernoulli'

La ley de los gases ideales u otra ecuación de estado similar a menudo se usa junto con estas ecuaciones para formar un sistema determinado que permite la solución de las variables desconocidas.

Ramas de la aerodinámica

Los problemas aerodinámicos se clasifican según el entorno del flujo o las propiedades del flujo, incluida la velocidad del flujo, la compresibilidad y la viscosidad. La aerodinámica externa es el estudio del flujo alrededor de objetos sólidos de varias formas. Evaluar la sustentación y la resistencia de un avión o las ondas de choque que se forman frente a la punta de un cohete son ejemplos de aerodinámica externa. La aerodinámica interna es el estudio del flujo a través de pasajes en objetos sólidos. Por ejemplo, la aerodinámica interna abarca el estudio del flujo de aire a través de un motor a reacción oa través de una tubería de aire acondicionado.

Los problemas aerodinámicos también se pueden clasificar según si la velocidad del flujo está por debajo, cerca o por encima de la velocidad del sonido. Un problema se llama subsónico si todas las velocidades en el problema son menores que la velocidad del sonido, transónico si están presentes velocidades tanto por debajo como por encima de la velocidad del sonido (normalmente cuando la velocidad característica es aproximadamente la velocidad del sonido), supersónico cuando la la velocidad característica del flujo es mayor que la velocidad del sonido, e hipersónica cuando la velocidad del flujo es mucho mayor que la velocidad del sonido. Los aerodinámicos no están de acuerdo sobre la definición precisa de flujo hipersónico; una definición aproximada considera que los flujos con números de Mach superiores a 5 son hipersónicos.

La influencia de la viscosidad sobre el flujo dicta una tercera clasificación. Algunos problemas pueden encontrar solo efectos viscosos muy pequeños, en cuyo caso la viscosidad puede considerarse insignificante. Las aproximaciones a estos problemas se denominan flujos no viscosos. Los flujos para los que no se puede despreciar la viscosidad se denominan flujos viscosos.

Aerodinámica incompresible

Un flujo incompresible es un flujo en el que la densidad es constante tanto en el tiempo como en el espacio. Aunque todos los fluidos reales son comprimibles, un flujo a menudo se aproxima como incompresible si el efecto de los cambios de densidad causa solo pequeños cambios en los resultados calculados. Es más probable que esto sea cierto cuando las velocidades de flujo son significativamente más bajas que la velocidad del sonido. Los efectos de la compresibilidad son más significativos a velocidades cercanas o superiores a la velocidad del sonido. El número de Mach se usa para evaluar si se puede asumir la incompresibilidad, de lo contrario, se deben incluir los efectos de la compresibilidad.

Flujo subsónico

La aerodinámica subsónica (o de baja velocidad) describe el movimiento de fluidos en flujos que son mucho más bajos que la velocidad del sonido en todas partes del flujo. Hay varias ramas de flujo subsónico, pero surge un caso especial cuando el flujo es no viscoso, incompresible e irrotacional. Este caso se denomina flujo potencial y permite que las ecuaciones diferenciales que describen el flujo sean una versión simplificada de las ecuaciones de la dinámica de fluidos, poniendo así a disposición del aerodinámico una gama de soluciones rápidas y sencillas.

Al resolver un problema subsónico, una decisión que debe tomar el aerodinámico es incorporar los efectos de la compresibilidad. La compresibilidad es una descripción de la cantidad de cambio de densidad en el flujo. Cuando los efectos de la compresibilidad en la solución son pequeños, se puede hacer la suposición de que la densidad es constante. El problema es entonces un problema de aerodinámica incompresible a baja velocidad. Cuando se permite que varíe la densidad, el flujo se denomina compresible. En el aire, los efectos de la compresibilidad generalmente se ignoran cuando el número de Mach en el flujo no excede 0,3 (alrededor de 335 pies (102 m) por segundo o 228 millas (366 km) por hora a 60 °F (16 °C)). Por encima de Mach 0,3, el problema de flujo debe describirse usando aerodinámica compresible.

Aerodinámica comprimible

De acuerdo con la teoría de la aerodinámica, se considera que un flujo es comprimible si la densidad cambia a lo largo de una línea de corriente. Esto significa que, a diferencia del flujo incompresible, se consideran los cambios en la densidad. En general, este es el caso cuando el número de Mach en parte o en todo el flujo excede 0,3. El valor de Mach 0,3 es bastante arbitrario, pero se usa porque los flujos de gas con un número de Mach por debajo de ese valor muestran cambios en la densidad de menos del 5%. Además, ese cambio de densidad máximo del 5% ocurre en el punto de estancamiento (el punto en el objeto donde la velocidad del flujo es cero), mientras que los cambios de densidad alrededor del resto del objeto serán significativamente menores. Los flujos transónicos, supersónicos e hipersónicos son todos flujos comprimibles.

Flujo transónico

El término transónico se refiere a un rango de velocidades de flujo justo por debajo y por encima de la velocidad local del sonido (generalmente tomada como Mach 0.8–1.2). Se define como el rango de velocidades entre el número de Mach crítico, cuando algunas partes del flujo de aire sobre un avión se vuelven supersónicas, y una velocidad más alta, típicamente cerca de Mach 1.2, cuando todo el flujo de aire es supersónico. Entre estas velocidades, parte del flujo de aire es supersónico, mientras que parte del flujo de aire no es supersónico.

Flujo supersónico

Los problemas aerodinámicos supersónicos son aquellos que involucran velocidades de flujo mayores que la velocidad del sonido. Calcular la sustentación en el Concorde durante el crucero puede ser un ejemplo de un problema aerodinámico supersónico.

El flujo supersónico se comporta de manera muy diferente al flujo subsónico. Los fluidos reaccionan a las diferencias de presión; los cambios de presión son la forma en que se le "dice" a un fluido que responda a su entorno. Por lo tanto, dado que el sonido es, de hecho, una diferencia de presión infinitesimal que se propaga a través de un fluido, la velocidad del sonido en ese fluido puede considerarse la velocidad más rápida a la que puede viajar la "información" en el flujo. Esta diferencia se manifiesta más obviamente en el caso de un fluido que golpea un objeto. Frente a ese objeto, el fluido acumula una presión de estancamiento a medida que el impacto con el objeto hace que el fluido en movimiento descanse. En un fluido que viaja a una velocidad subsónica, esta alteración de la presión puede propagarse aguas arriba, cambiando el patrón de flujo por delante del objeto y dando la impresión de que el fluido "sabe" el objeto está allí aparentemente ajustando su movimiento y fluyendo a su alrededor. Sin embargo, en un flujo supersónico, la perturbación de la presión no puede propagarse aguas arriba. Por lo tanto, cuando el fluido finalmente alcanza el objeto, lo golpea y el fluido se ve obligado a cambiar sus propiedades (temperatura, densidad, presión y número de Mach) de una manera extremadamente violenta e irreversible llamada onda de choque. La presencia de ondas de choque, junto con los efectos de compresibilidad de los fluidos de alta velocidad de flujo (consulte el número de Reynolds), es la diferencia central entre los regímenes aerodinámicos supersónico y subsónico. presión y el número de Mach, de una manera extremadamente violenta e irreversible llamada onda de choque. La presencia de ondas de choque, junto con los efectos de compresibilidad de los fluidos de alta velocidad de flujo (consulte el número de Reynolds), es la diferencia central entre los regímenes aerodinámicos supersónico y subsónico. presión y el número de Mach, de una manera extremadamente violenta e irreversible llamada onda de choque. La presencia de ondas de choque, junto con los efectos de compresibilidad de los fluidos de alta velocidad de flujo (consulte el número de Reynolds), es la diferencia central entre los regímenes aerodinámicos supersónico y subsónico.

Flujo hipersónico

En aerodinámica, las velocidades hipersónicas son velocidades altamente supersónicas. En la década de 1970, el término generalmente se refería a velocidades de Mach 5 (5 veces la velocidad del sonido) y superiores. El régimen hipersónico es un subconjunto del régimen supersónico. El flujo hipersónico se caracteriza por un flujo a alta temperatura detrás de una onda de choque, interacción viscosa y disociación química del gas.

Terminología asociada

Los regímenes de flujo compresible e incompresible producen muchos fenómenos asociados, como capas límite y turbulencia.

Capas límite

El concepto de capa límite es importante en muchos problemas de aerodinámica. La viscosidad y la fricción del fluido en el aire se aproximan como significativas solo en esta capa delgada. Esta suposición hace que la descripción de tal aerodinámica sea mucho más manejable matemáticamente.

Turbulencia

En aerodinámica, la turbulencia se caracteriza por cambios caóticos en las propiedades del flujo. Estos incluyen difusión de momento bajo, convección de momento alto y variación rápida de la presión y la velocidad del flujo en el espacio y el tiempo. El flujo que no es turbulento se llama flujo laminar.

Aerodinámica en otros campos

Diseño de ingeniería

La aerodinámica es un elemento importante del diseño de vehículos, incluidos los automóviles de carretera y los camiones, donde el objetivo principal es reducir el coeficiente de resistencia del vehículo, y los automóviles de carreras, en los que, además de reducir la resistencia, el objetivo también es aumentar el nivel general de carga aerodinámica. La aerodinámica también es importante en la predicción de las fuerzas y momentos que actúan sobre los veleros. Se utiliza en el diseño de componentes mecánicos como cabezales de discos duros. Los ingenieros estructurales recurren a la aerodinámica, y particularmente a la aeroelasticidad, cuando calculan las cargas de viento en el diseño de grandes edificios, puentes y turbinas eólicas.

La aerodinámica de los conductos internos es importante en la calefacción/ventilación, las tuberías de gas y los motores de automóviles, donde los patrones de flujo detallados afectan en gran medida el rendimiento del motor.

Diseño ambiental

La aerodinámica urbana es estudiada por urbanistas y diseñadores que buscan mejorar las comodidades en los espacios al aire libre o en la creación de microclimas urbanos para reducir los efectos de la contaminación urbana. El campo de la aerodinámica ambiental describe las formas en que la circulación atmosférica y la mecánica de vuelo afectan los ecosistemas.

Las ecuaciones aerodinámicas se utilizan en la predicción meteorológica numérica.

Control del balón en el deporte

Los deportes en los que la aerodinámica es de vital importancia son el fútbol, ​​el tenis de mesa, el cricket, el béisbol y el golf, en los que la mayoría de los jugadores pueden controlar la trayectoria de la pelota mediante el "efecto Magnus".