Transonic - Transonic
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O fluxo transônico (ou transsônico ) é o ar que flui ao redor de um objeto a uma velocidade que gera regiões de fluxo de ar subsônico e supersônico ao redor desse objeto. A faixa exata de velocidades depende do número de Mach crítico do objeto , mas o fluxo transônico é visto em velocidades de vôo próximas à velocidade do som (343 m / s ao nível do mar), normalmente entre Mach 0,8 e 1,2.
A questão da velocidade transônica (ou regime transônico) apareceu pela primeira vez durante a Segunda Guerra Mundial. Os pilotos descobriram que, ao se aproximarem da barreira do som, o fluxo de ar tornava a aeronave instável. Os especialistas descobriram que as ondas de choque podem causar separação em grande escala a jusante, aumentando o arrasto e adicionando assimetria e instabilidade ao fluxo ao redor do veículo. Pesquisas têm sido feitas para enfraquecer as ondas de choque em voos transônicos por meio do uso de corpos antichoque e aerofólios supercríticos .
A maioria dos aviões a jato modernos são projetados para operar em velocidades transônicas do ar. As velocidades transônicas apresentam um rápido aumento no arrasto de cerca de Mach 0,8, e são os custos de combustível do arrasto que normalmente limitam a velocidade no ar. As tentativas de reduzir o arrasto das ondas podem ser vistas em todas as aeronaves de alta velocidade. O mais notável é o uso de asas inclinadas , mas outra forma comum é a fuselagem de cintura de vespa como efeito colateral da regra da área de Whitcomb .
As velocidades transônicas também podem ocorrer nas pontas das pás do rotor de helicópteros e aeronaves. Isso coloca tensões severas e desiguais na pá do rotor e pode levar a acidentes, se ocorrer. É um dos fatores limitantes do tamanho dos rotores e das velocidades de avanço dos helicópteros (já que essa velocidade é adicionada ao lado de varredura para frente [dianteira] do rotor, possivelmente causando transônicos localizados).
História
Descobrindo o fluxo de ar transônico
Problemas com o vôo da aeronave relacionados à velocidade surgiram pela primeira vez durante a era supersônica em 1941. Ralph Virden, um piloto de teste, caiu em um acidente fatal de avião. Ele perdeu o controle do avião quando uma onda de choque causada por fluxo de ar supersônico se desenvolveu sobre a asa, causando o estolamento. Virden voou bem abaixo da velocidade do som em Mach 0,675, o que trouxe a ideia de diferentes fluxos de ar se formando ao redor do avião. Na década de 40, Kelley Johnson se tornou um dos primeiros engenheiros a investigar o efeito da compressibilidade em aeronaves. No entanto, os túneis de vento atuais não tinham a capacidade de criar ventos de velocidade próxima a Mach 1 para testar os efeitos das velocidades transônicas. Não muito depois, o termo "transônico" foi definido como "através da velocidade do som" e foi inventado pelo diretor do NACA, Hugh Dryden e Theodore von Kármán, do California Institute of Technology.
Mudanças na aeronave
Inicialmente, a NACA projetou "flaps de mergulho" para ajudar a estabilizar o avião ao atingir o vôo transônico. Esta pequena aba na parte inferior do avião diminuiu a velocidade do avião para evitar ondas de choque, mas este projeto apenas atrasou a descoberta de uma solução para aeronaves voando em velocidade supersônica. Novos túneis de vento foram projetados para que os pesquisadores pudessem testar novos designs de asas sem arriscar a vida dos pilotos de teste. O túnel transônico de parede com fenda foi projetado pela NASA e permitiu aos pesquisadores testar asas e diferentes aerofólios no fluxo de ar transônico para encontrar a melhor forma de ponta de asa para velocidades sônicas.
Após a Primeira Guerra Mundial , grandes mudanças no projeto das aeronaves foram vistas para melhorar o vôo transônico. A principal forma de estabilizar uma aeronave era reduzir a velocidade do fluxo de ar ao redor das asas, alterando a corda das asas do avião, e uma solução para evitar ondas transônicas era a varredura das asas. Uma vez que o fluxo de ar atingiria as asas em um ângulo, isso diminuiria a espessura da asa e a proporção da corda. As formas das asas dos aerofólios foram projetadas mais planas na parte superior para evitar ondas de choque e reduzir a distância do fluxo de ar sobre a asa. Mais tarde, Richard Whitcomb projetou o primeiro aerofólio supercrítico usando princípios semelhantes.
Analise matemática
Antes do advento dos computadores poderosos, mesmo as formas mais simples das equações de fluxo compressíveis eram difíceis de resolver devido à sua não linearidade . Uma suposição comum usada para contornar essa não linearidade é que os distúrbios dentro do fluxo são relativamente pequenos, o que permite que matemáticos e engenheiros linearizem as equações de fluxo compressíveis em um conjunto de equações diferenciais de resolução relativamente fácil para fluxos totalmente subsônicos ou supersônicos. Essa suposição é fundamentalmente falsa para fluxos transônicos porque a perturbação causada por um objeto é muito maior do que nos fluxos subsônicos ou supersônicos; uma velocidade de fluxo próxima ou em Mach 1 não permite que os tubos de fluxo (caminhos de fluxo 3D) se contraiam o suficiente em torno do objeto para minimizar a perturbação e, portanto, a perturbação se propaga. Os aerodinamicistas lutaram durante os estudos anteriores de fluxo transônico porque a teoria atual implicava que esses distúrbios - e, portanto, o arrasto - se aproximavam do infinito conforme o número de Mach local se aproximava de 1, um resultado obviamente irreal que não poderia ser remediado usando métodos conhecidos.
Um dos primeiros métodos usados para contornar a não linearidade dos modelos de fluxo transônico foi a transformação do hodógrafo . Este conceito foi explorado originalmente em 1923 por um matemático italiano chamado Francesco Tricomi , que usou a transformação para simplificar as equações de fluxo compressível e provar que elas eram solucionáveis. A própria transformação do hodógrafo também foi explorada pelos livros didáticos de Ludwig Prandtl e OG Tietjen em 1929 e por Adolf Busemann em 1937, embora nenhum aplicasse esse método especificamente ao fluxo transônico.
Gottfried Guderley, um matemático alemão e engenheiro em Braunschweig , descobriu o trabalho de Tricomi no processo de aplicação do método hodógrafo ao fluxo transônico próximo ao final da Segunda Guerra Mundial. Ele se concentrou nas equações não lineares de fluxo compressível de aerofólio, as mesmas que Tricomi derivou, embora seu objetivo de usar essas equações para resolver o fluxo sobre um aerofólio apresentasse desafios únicos. Guderley e Hideo Yoshihara, junto com algumas informações de Busemann, mais tarde usaram uma solução singular das equações de Tricomi para resolver analiticamente o comportamento do fluxo transônico em um aerofólio de cunha dupla , o primeiro a fazer isso apenas com as suposições da teoria do aerofólio fino.
Embora bem-sucedido, o trabalho de Guderley ainda era focado no teórico e só resultou em uma solução única para um aerofólio de cunha dupla em Mach 1. Walter Vincenti , um engenheiro americano do Laboratório Ames , teve como objetivo complementar o trabalho de Mach 1 de Guderley com soluções numéricas que iriam cobrem a faixa de velocidades transônicas entre Mach 1 e fluxo totalmente supersônico. Vincenti e seus assistentes basearam-se no trabalho de Howard Emmons , bem como nas equações originais de Tricomi para completar um conjunto de quatro soluções numéricas para o arrasto sobre um aerofólio de cunha dupla em fluxo transônico acima de Mach 1. A lacuna entre o fluxo subsônico e Mach 1 foi posterior coberto por Julian Cole e Leon Trilling , completando o comportamento transônico do aerofólio no início dos anos 1950.
Nuvens de condensação
Em velocidades transônicas, os ventiladores de expansão supersônicos formam áreas intensas de baixa pressão e baixa temperatura em vários pontos ao redor de uma aeronave. Se a temperatura cair abaixo do ponto de orvalho, uma nuvem visível se formará. Essas nuvens permanecem com a aeronave enquanto ela viaja. Não é necessário que a aeronave como um todo alcance velocidades supersônicas para que essas nuvens se formem. Normalmente, a cauda da aeronave alcançará o vôo supersônico enquanto a proa da aeronave ainda está em vôo subsônico. Uma bolha de ventiladores de expansão supersônicos terminando por uma onda de choque em torno da cauda. À medida que a aeronave continua a acelerar, os ventiladores de expansão supersônicos se intensificarão e a onda de choque da esteira aumentará de tamanho até que o infinito seja alcançado, ponto em que a onda de choque da proa se forma. Este é Mach 1 e a singularidade de Prandtl-Glauert .
Fluxos transônicos em astronomia e astrofísica
Na astrofísica, onde quer que haja evidências de choques (em pé, propagando ou oscilando), o fluxo próximo deve ser transônico, pois apenas fluxos supersônicos formam choques. Todos os acréscimos de buracos negros são transônicos. Muitos desses fluxos também apresentam choques muito próximos aos buracos negros.
Os fluxos de saída ou jatos de objetos estelares jovens ou discos em torno de buracos negros também podem ser transônicos, pois começam subsonicamente e, a uma distância distante, são invariavelmente supersônicos. As explosões de supernovas são acompanhadas por fluxos supersônicos e ondas de choque. Os choques de proa formados nos ventos solares são um resultado direto dos ventos transônicos de uma estrela. Há muito se pensava que um choque de proa estava presente ao redor da heliosfera de nosso sistema solar, mas não foi esse o caso, de acordo com os dados do IBEX publicados em 2012.
Veja também
- Corpo anti-choque
- Fluxos subsônicos
- Fluxos supersônicos
- Fluxos hipersônicos
- Ventiladores de expansão supersônica