Onda de choque (dinámica de fluidos)
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En dinámica de fluidos y aerodinámica, el término onda de choque indica una capa delgada de fuerte variación en los campos de presión , temperatura , densidad y velocidad del fluido . Este delgado espesor, del orden de 10 nm, se modela matemáticamente como una discontinuidad.
Tipos
Una onda de choque puede ser normal u oblicua a la dirección de la velocidad relativa entre la onda y la corriente, y también puede ser estacionaria o moverse con respecto a un cuerpo que la genera. Las ondas sonoras, identificables como pequeñas perturbaciones de presión y velocidad, ya que estas últimas cantidades están vinculadas en las ecuaciones que rigen el fenómeno, representan ondas de choque que, por su baja intensidad, pueden considerarse isentrópicas , es decir, que no modifican significativamente. la entropía del flujo que los atraviesa o atraviesan (también se les llama ondas de Mach ). El mecanismo de onda de choque oblicua es capaz de desviar un flujo supersónico.
También son de particular interés las ondas de choque adiabáticas, es decir, las que pueden producirse en una corriente de fluido animada por un movimiento homoenergético .
Onda de choque normal
Considere la figura de la derecha. Imagine un tanque aguas arriba del conducto de la figura que por alguna razón se vacía, generando un flujo de fluido (que consideraremos un gas ideal ) dentro del conducto. Dichos 1 y 2 las dos secciones de control, llamadas T 0 la temperatura total en el tanque, y p 0 la presión total, llamada τ el volumen de control, y las variaciones de la sección entre 1 y 2 son insignificantes, identificándose con lo normal a la sección 1 y con En la sección 2, imagine que, debido a las condiciones de presión aguas abajo del conducto, o las condiciones de conexión del propio conducto, el fluido se ve obligado a cambiar repentinamente sus propiedades de presión, velocidad y temperatura dentro de un pequeño volumen (indicado precisamente con τ ).
A esta zona de discontinuidad la llamaremos onda de choque normal .
Suponiendo el flujo constante, es decir, las derivadas de las cantidades con respecto al tiempo, hacemos el balance de la masa y el momento . Suponiendo un flujo en la entrada del volumen de control supersónico unidimensional, indicaremos con ρ la densidad del fluido, con u la velocidad y con A la sección.
Balance de masa:
- .
Coincidiendo con el equilibrio se vuelve
donde G es una constante invariante aguas arriba y aguas abajo del volumen de control.
Balance de momento:
Lo hemos indicado con la resultante de las acciones del conducto sobre el fluido, con M la masa de fluido, y con aceleración de la gravedad.
Descuidemos ahora el peso del fluido y la acción del conducto sobre el propio fluido, actuando sobre la zona lateral del volumen, de orden inferior a las zonas frontales. Por lo tanto, ya que Y entonces el equilibrio del impulso simplemente se convierte en invariante aguas arriba y aguas abajo del volumen de control.
Hagamos ahora un balance de la energía:
- Dónde está es la entalpía total e la derivada del tiempo del calor introducido. Ser (conducto adiabático) simplemente .
Por tanto, tenemos tres invariantes: G, I, e . Recuerde la definición de velocidad crítica del sonido. :
Se indica con la velocidad del sonido a la entalpía total e .
es más y por tanto llegamos a la ecuación que regula las ondas de choque normales:
Llamamos Y las dos soluciones de la ecuación (real y distinta o real y coincidente), ya que debido a la propiedad conocida de las ecuaciones de segundo grado , entonces en un golpe normal es , donde con hemos indicado el número de Mach crítico , definido como . A partir de esta relación, notamos inmediatamente que un flujo a través de una onda de choque normal pasa de supersónico a subsónico o viceversa (pero la última alternativa es imposible porque viola la segunda ley de la termodinámica ).
Golpe normal
La relación que une los números de Mach "verdaderos" es la siguiente:
Observando esta relación se puede ver que para Después también (en este caso tendremos una zona de discontinuidad débil, un fenómeno casi isentrópico llamado "onda de Mach"). Si en cambio asi que .
En cuanto a velocidades:
Por tanto, la velocidad disminuye con un impacto normal.
Para presiones:
Por tanto, la presión aumenta a través de la onda.
De las leyes de Poisson obtenemos:
Uno mismo Después también y viceversa si . Indicando con entropía, ya que es eso para la segunda ley de la termodinámica, entonces es que y entonces . Por lo tanto, las ondas de choque normales solo son posibles con un flujo de entrada supersónico.
Respecto a la temperatura:
A partir del cual porque el primer miembro de dicha ecuación es negativo. Entonces la temperatura sube a través de la ola.
Ondas de choque oblicuas
Las ondas de choque oblicuas son áreas de discontinuidad del campo fluidodinámico colocadas en un ángulo distinto de 90 ° con respecto al flujo. Considerando la figura de la derecha, llame v la velocidad de un sistema de referencia que se traduce sin acelerar con respecto a una onda de choque normal. Yo lo llamo la velocidad del fluido de entrada con respecto a una referencia estacionaria, mientras la velocidad vista según el sistema de referencia de traducción. El observador que forma parte del sistema de referencia de traslación ve un flujo en ángulo que entra con respecto a la ola, y la ve salir desviada en un ángulo . En comparación con la discusión realizada en el párrafo anterior, las cantidades relacionadas con las velocidades cambiarán, pero no las relacionadas con la entalpía o la entropía . Yo lo llamo la nueva entalpía total, siempre invariante, mientras que individual en la entalpía total relativa a la parte normal de la velocidad del fluido. Dado que nada ha cambiado energéticamente con respecto a la situación anterior, el salto en la entropía será el mismo.
Relaciones para las ondas de choque oblicuas
Por tanto la relación que vincula el número de Mach de entrada y salida en el sistema de referencia móvil será:
- implica que Dónde está es el ángulo del cono de Mach aguas arriba de la onda.
El salto de densidad viene dado por:
La presión varía según la relación:
Relación entre el ángulo de deflexión del flujo y el ángulo de inclinación de la onda oblicua
La relación entre Y , cuya gráfica encontramos a la izquierda, es la siguiente:
Se corrigió un cierto Mach en la entrada, como se puede ver en el gráfico dado el punto de inflexión Hay dos posibles soluciones: una con salida supersónica y otra con salida subsónica (una con mayor, y uno con menor). Además, se identifica un ángulo de giro máximo, indicado en el gráfico como . El significado físico de este ángulo máximo es muy importante y se comprende de inmediato que un flujo supersónico desviado por una onda oblicua no podrá realizar giros mayores a se muestra en la figura.
Nota
- ^ Más información en el sitio web de la NASA Copia archivada en www1.dfrc.nasa.gov . Obtenido el 8 de enero de 2009 (archivado desde el original el 20 de enero de 2009) . .
Bibliografía
- Richard Feynman ,La física de Feynman , Bolonia, Zanichelli, 2001, ISBN 978-88-08-16782-8 . :
- Vol I, par. 51-2: Ondas de choque
Otros proyectos
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enlaces externos
- ( EN ) Shockwave , en Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
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