Avión Subsónico y Supersónico Cap-1

Aerodinámica del Avión

Flujo subsónico

• El número de Mach verifica M < 1 en todo el campo fluido.
• Para casos fuselados, una condición aproximada que garantiza M<1 en todo el campo fluido es M∞ <0.8.

Flujo transónico:

• En el campo fluido hay simultáneamente regiones con M < 1 y regiones con M > 1.
• Para cuerpos fuselados, este régimen puede caracterizarse de forma aproximada 0.8< M∞ <1.2.
• Una característica del régimen transónico es que la configuración fluida es no estacionaria, con fuerzas fluctuantes (fenómeno llamado bataneo), lo que dificulta enormemente su estudio.

Flujo supersónico:

• Se verifica M > 1 en todo el campo fluido (excepto en la parte interna de la capa límite).
• Puede caracterizarse con la condición M∞ >1.2.

o   Este valor es orientativo, ya que la geometría del cuerpo juega un papel muy importante.

Flujo hipersónico:

• Régimen a velocidades supersónicas muy grandes
• Las temperaturas asociadas son tan elevadas que se producen reacciones químicas en el aire

o   Disociación de las moléculas O2 y N2.

• Caracterización orientativa, es M∞ >5.

Los flujos compresibles subsónicos son cualitativamente similares a los incompresibles

Los flujos supersónicos son completamente diferentes a los incompresibles, estando caracterizados por la existencia de ondas de choque y de expansión:

• Capas muy delgadas de espesor del orden de 10-5 cm.
• Las variables fluidas sufren variaciones muy drásticas a uno y otro lado de la onda.
• Matemáticamente, las ondas se traducen en discontinuidades de las variables fluidas.

En las ondas de choque:

• El Mach y la velocidad disminuyen
• Presión densidad y temperatura aumentan.
• En las ondas de choque normales (a la corriente) la disminución de la velocidad puede ser tan brusca que la corriente pasa a ser subsónica (M<1).

En las ondas de expansión:

• La velocidad aumenta
• La presión, densidad y temperatura disminuyen

En cualquier fluido, las perturbaciones que se producen en cualquier punto se propagan con una velocidad determinada: la velocidad del sonido

• Esta velocidad es función de las condiciones termodinámicas del fluido.

En un flujo subsónico, la velocidad de la corriente es inferior a la velocidad de propagación de las perturbaciones (velocidad del sonido):

• El fluido puede “transmitir información aguas arriba”
• En el caso de un flujo alrededor de un perfil, el fluido aguas arriba “conoce la existencia” del perfil, de modo que se adapta progresivamente a su geometría.

En un flujo supersónico, la velocidad de la corriente es superior a la del sonido

• El fluido no puede “transmitir información aguas arriba”. Cualquier perturbación sólo puede propagarse dentro del cono de Mach.
• En el caso de un flujo alrededor de un perfil, el fluido aguas arriba “no conoce la existencia” del perfil, de modo que la adaptación a su geometría se produce bruscamente en forma de onda de choque.

Cono de March

Partícula emitiendo sonido a intervalos de tiempo regulares.

Las ondas de sonido son evidentemente concéntricas.

La partícula se está moviendo hacia la izquierda por debajo de la velocidad del sonido. Las ondas de sonido están contenidas una dentro de la otra debido a que la partícula no tiene tiempo de alcanzar las ondas en su movimiento (las ondas se están expandiendo mientras que la partícula se mueve.

La partícula moviéndose a la velocidad del sonido (la misma velocidad a la que se expanden las ondas). Las ondas de sonido coalescen formando un frente sónico plano.

Partícula se mueve en régimen supersónico. La partícula adelanta a las ondas de sonido en su movimiento (las ondas se expanden a la velocidad del sonido mientras que la partícula se desplaza a una velocidad mayor que la del sonido), de tal manera que la envolvente de las mismas forma un frente de ondas cónico, el llamado «Cono de Mach».

En un flujo supersónico, ante una pequeña perturbación (como puede ser una onda de sonido), los frentes de onda forman una envolvente (tangente a la familia de círculos), denominada onda de Mach

• En el caso tridimensional la envolvente de los frentes de onda adquiere una forma cónica: cono de Mach.
• El ángulo que la define esta línea de perturbación es el ángulo de Mach, μ, el cual verifica

Si la perturbación que se genera es más fuerte que una onda de sonido, entonces el frente de onda es también más fuerte que una onda de Mach, creándose una onda de choque oblicua definida por un ángulo β> μ .

La región exterior a la onda de choque no nota la presencia del cuerpo hasta que se encuentra con ella (las perturbaciones no viajan aguas arriba).

Sergio Esteban Roncero

Francisco Gavilán Jiménez

Departamento de Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de Fluidos

Para saber mas:

Avión Subsónico y Supersónico Cap-4

Avión Subsónico y Supersónico Cap-3

Avión Subsónico y Supersónico Cap-2