Avión Subsónico y Supersónico Cap-2

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Avión Subsónico y Supersónico Cap-2

On junio 10, 2014, Posted by , in El mundo de la aviación, tags , With No Comments

02Avión Subsónico y Supersónico Cap-2

Régimen Compresible Subsónico

Estudio de la variación del coeficiente de presión al incrementar el Mach:

  • Para valores M∞ <0.3 el valor de cp apenas varía, siendo aproximadamente igual al del caso incompresible (cp,inc)
  • A medida que M∞ aumenta, la magnitud de cp aumenta rápidamente
  • Un análisis teórico aproximado (válido para ángulos de ataque pequeños):
  • Analogía de Prandtl-Glauert subsonico-prandtl-glauert                                               0.3 < M∞ < 0.7
  • Con esta hipótesis, a medida que M∞ se aproxima a la unidad, cp tiende a infinito.

NO ES VÁLIDA EN RÉGIMEN TRANSÓNICO

subsonico-16

 

subsonio-16-3

 

subsonico-16-2

Número de Mach Crítico

Si se considera un perfil en una corriente uniforme a Mach M∞, y a ángulo de ataque fijo.

  • En una región del extradós del perfil, donde la corriente se expande, el número de Mach local es M > M∞.

o   Hay que tener en cuenta que el fluido se acelera y la velocidad del sonido disminuye localmente al caer la presión.

  • El valor de M∞ para el cual en un punto del extradós se obtiene por primera vez un Mach local M = 1 se llama número de Mach crítico.
  • El valor de cp en dicho punto, cuando el Mach local es M = 1, se llama cp crítico, cp,cr
  • Éste es el mínimo valor de cp sobre el perfil.

 

subsonico-17

subsonico-17-2

mach-critico-18-g

transonic-flow

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Variación del Mach crítico en función del espesor:

  • Mach crítico es mayor para perfiles más delgados:
  • perturba menos a la corriente incidente.
  • la expansión en el extradós es menor
  • el incremento de velocidad también es menor
  • M∞ puede llegar a valores mayores antes de que se alcance Mach local M = 1.

 

mach-critico-23-3

El Mcr de un perfil es muy importante, ya que si M∞>Mcr se produce un incremento muy grande de la resistencia aerodinámica.

Desde el punto de vista de diseño es deseable que Mcr sea grande:

  • En los aviones de alta velocidad los perfiles suelen ser delgados.
  • Para un perfil dado, el valor de Mcr disminuye al aumentar el ángulo de ataque:

o   Se acentúa el pico de succión.

  • Cuanto menos perturbe el perfil, mayor será el Mcr y menor será la amplitud de la zona transónica.

mach-critico-24

mach-critico-24-2

 

Divergencia de la Resistencia

Si se ensaya en un túnel un perfil a ángulo de ataque fijo y se aumenta el número de Mach de la corriente se aprecia que:

  • Para valores M∞ < Mcr, Cd es prácticamente constante.
  • Al aumentar M∞ por encima de Mcr se observa un rapidísimo aumento de Cd

o   la resistencia aumenta en un factor de 10 o incluso mayor.

La razón de este comportamiento es la aparición de ondas de choque en las regiones de flujo localmente supersónico.

La existencia de ondas de choque es un fenómeno disipativo que da lugar a un aumento de la resistencia.

El fuerte incremento de presión que se produce a través de la onda de choque hace que se genere un gradiente adverso de presión muy fuerte, causando por tanto el desprendimiento de la corriente:

  • aumento de Cd
  • disminución de Cl

Divergencia-Resistencia-25

Mach de divergencia de la resistencia, (Mdiv)

  • Es el valor de M∞ al cual empieza el rápido aumento de la resistencia.aumento-resistencia

La región transónica comienza estrictamente cuando M∞ = Mcr . No obstante, se puede volar a números de Mach ligeramente mayores que Mcr sin que sean apreciables los efectos transónicos sobre el perfil. Cuando las ondas de choque son lo suficientemente intensas, se produce la divergencia de la resistencia, haciendo inviable un vuelo de crucero sostenido a esa velocidad.

En cuanto al coeficiente de momentos (Cm,c/4), el efecto transónico se traduce en una fuerte tendencia al picado.

Mdiv fue conocido como barrera del sonido, la cual fue “vencida” tan pronto como se dispuso de un motor con el suficiente empuje para contrarrestar tal resistencia

divergencia-resistencia-26

angulo-ataque-27

Perfiles Supercríticos

Con objeto de aumentar Mdiv se han diseñado los llamados perfiles supercríticos

  • Se consigue que los números de Mach supersónicos locales sean menores y que la onda de choque correspondiente sea más débil
  • La forma de estos perfiles se diseña de manera que se obtenga el valor global de Cl deseado sin depresiones locales excesivamente grandes, que son las que reducen Mcr.

 

perfiles-supercriticos-1

perfiles-supercriticos-2

 

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perfiles-supercriticos-29-2

Sergio Esteban Roncero

Francisco Gavilán Jiménez

Departamento de Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de Fluidos

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