Transónico
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transónico (o transónico) es 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 observa a velocidades de vuelo cercanas a la velocidad del sonido (343 m/s al nivel del mar), normalmente entre Mach 0,8 y 1,2.
La cuestión de la velocidad transónica (o región transónica) apareció por primera vez durante la Segunda Guerra Mundial. Los pilotos descubrieron que, cuando se acercaban 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, lo que aumenta la resistencia y agrega 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 los aviones a reacción modernos están diseñados para operar a velocidades aéreas transónicas. Las velocidades aerodinámicas transónicas experimentan un rápido aumento en la resistencia aerodinámica desde aproximadamente Mach 0,8, y son los costos de combustible de la resistencia aerodinámica los que normalmente limitan la velocidad aerodinámica. Los intentos de reducir la resistencia de las olas se pueden ver en todos los aviones de alta velocidad. Lo más notable es el uso de alas en flecha, pero otra forma común es un fuselaje de cintura de avispa como efecto secundario de la regla del área de Whitcomb.
Las velocidades transónicas también pueden ocurrir en las puntas de las palas del rotor de helicópteros y aviones. Esto ejerce tensiones severas y desiguales 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 [delantero] del rotor, lo que posiblemente cause transónicos localizados).
Historia
Descubriendo el flujo de aire transónico
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 fatal accidente aéreo. Perdió el control del avión cuando una onda de choque causada por un flujo de aire supersónico se desarrolló sobre el ala, lo que provocó que se detuviera. Virden voló muy por debajo de la velocidad del sonido a Mach 0,675, lo que generó la idea de diferentes flujos de aire formándose alrededor del avión. En los años 40, Kelley Johnson se convirtió en uno de los primeros ingenieros en investigar el efecto de la compresibilidad en los aviones. Sin embargo, los túneles de viento contemporáneos no tenían la capacidad de crear velocidades de viento 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 NACA Hugh Dryden y Theodore von Kármán del Instituto de Tecnología de California.
Cambios en aeronaves
Inicialmente, NACA diseñó "aletas de buceo" para ayudar a estabilizar el avión al alcanzar el vuelo transónico. Esta pequeña aleta en la parte inferior del avión redujo la velocidad del avión para evitar las ondas de choque, pero este diseño solo retrasó la búsqueda de una solución para los aviones que vuelan a una velocidad supersónica. Se diseñaron túneles de viento más nuevos para que los investigadores pudieran probar diseños de alas más nuevos sin arriesgar a los pilotos de prueba. vidas. El túnel transónico de pared ranurada fue diseñado por la NASA y permitió a los investigadores probar alas y diferentes superficies aerodinámicas en el flujo de aire transónico para encontrar la mejor forma de punta de ala para velocidades sónicas.
Después de la Segunda Guerra Mundial, se observaron cambios importantes en el diseño de aeronaves para mejorar el vuelo transónico. La forma principal 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 era el barrido de las alas. Dado que el flujo de aire golpearía las alas en ángulo, esto disminuiría el grosor del ala y la relación de cuerda. Las formas aerodinámicas de las alas se diseñaron más planas en la parte superior para evitar las 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
Antes de la llegada de las computadoras poderosas, 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 comprimible en un conjunto de ecuaciones diferenciales relativamente fácil de resolver para flujos totalmente subsónicos o supersónicos. 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 estudios anteriores del flujo transónico porque la teoría vigente en ese momento implicaba que estas perturbaciones, y por lo tanto el arrastre, se acercaban al infinito a medida que el número de Mach local se acercaba a 1, un resultado obviamente poco realista que no podía remediarse utilizando métodos conocidos.
Uno de los primeros métodos utilizados para eludir la no linealidad de los modelos de flujo transónico fue la transformación 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 comprimible y demostrar que eran solucionables. La propia transformación de la hodógrafa también fue explorada tanto por Ludwig Prandtl como por O.G. Los libros de texto de Tietjen en 1929 y de Adolf Busemann en 1937, aunque ninguno aplicó este método específicamente al flujo transónico.
Gottfried Guderley, un matemático e ingeniero alemán de Braunschweig, descubrió el trabajo de Tricomi en el proceso de aplicación del método hodógrafo al flujo transónico cerca del final de la Segunda Guerra Mundial. Se centró en las ecuaciones de flujo comprimibles no lineales de superficies aerodinámicas delgadas, las mismas que derivó Tricomi, aunque su objetivo de usar estas ecuaciones para resolver el flujo sobre una superficie aerodinámica presentaba desafíos únicos. Guderley y Hideo Yoshihara, junto con algunos aportes de Busemann, luego usaron una solución singular de las ecuaciones de Tricomi para resolver analíticamente el comportamiento del flujo transónico sobre un perfil aerodinámico de doble cuña, el primero en hacerlo con solo las suposiciones de teoría aerodinámica.
Aunque tuvo éxito, el trabajo de Guderley todavía se centró en lo teórico y solo dio como resultado una solución única para un perfil aerodinámico de doble cuña a Mach 1. Walter Vincenti, un ingeniero estadounidense del Laboratorio Ames, tenía como objetivo complementar Guderley' 39;s Mach 1 funcionan con soluciones numéricas que cubrirían 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. La brecha entre subsónico y Mach El flujo 1 fue cubierto más tarde 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 expansión supersónicos forman áreas intensas de baja presión y baja temperatura en varios puntos alrededor de un avión. Si la temperatura desciende 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 formen estas nubes. Por lo general, la cola de la aeronave alcanzará un vuelo supersónico mientras que la proa de la aeronave aún se encuentra en vuelo subsónico. Una burbuja de ventiladores de expansión supersónicos que terminan en una onda de choque de estela rodean la cola. A medida que la aeronave continúa acelerando, los ventiladores de expansión supersónicos se intensificarán y la onda de choque de la estela crecerá en tamaño hasta alcanzar el infinito, momento en el que se forma la onda de choque de proa. Este es Mach 1 y la singularidad de Prandtl-Glauert.
Flujos transónicos en astronomía y astrofísica
En astrofísica, dondequiera que haya evidencia de choques (estacionarios, propagantes 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.
Los flujos de salida o los chorros de los objetos estelares jóvenes o los discos alrededor de los agujeros negros también pueden ser transónicos, ya que comienzan de forma subsónica y, a gran distancia, son invariablemente supersónicos. Las explosiones de supernovas van acompañadas de flujos supersónicos y ondas de choque. Los arcos de choque formados en los vientos solares son el resultado directo de los vientos transónicos de una estrella. Durante mucho tiempo se pensó que un arco de choque estaba presente alrededor de la heliosfera de nuestro sistema solar, pero se descubrió que no era así según los datos del IBEX publicados en 2012.