transonik - Transonic

Bir transonik F/A-18 etrafındaki süpersonik genişleme fanlarının aerodinamik yoğuşma kanıtları

Sears-Haack gövde en aza indirir bu enine kesit alanı değişimi gösterilmektedir sürükle dalga .

Şok dalgaları, süper kritik kanatlı uçakların üzerinde zayıf optik rahatsızlıklar olarak görünebilir.

Bir kanat profili üzerindeki transonik akış desenleri, kritik Mach sayısında ve üzerinde akış desenleri gösterir.

Transonik (veya transsonik ) akış, bir nesnenin etrafında hem ses altı hem de ses üstü hava akışı bölgeleri oluşturan bir hızda akan havadır . Kesin hız aralığı, nesnenin kritik Mach sayısına bağlıdır , ancak transonik akış, ses hızına yakın uçuş hızlarında (deniz seviyesinde 343 m/s), tipik olarak Mach 0.8 ile 1.2 arasında görülür .

Transonik hız (veya transonik rejim) konusu ilk olarak II. Dünya Savaşı sırasında ortaya çıktı. Pilotlar, ses bariyerine yaklaştıklarında hava akışının uçağın kararsız hale gelmesine neden olduğunu buldular. Uzmanlar, şok dalgalarının aşağı yönde büyük ölçekli ayrılmaya neden olabileceğini , sürtünmeyi artırdığını ve aracın etrafındaki akışa asimetri ve dengesizlik eklediğini buldu. Anti-şok cisimleri ve süper kritik kanat profilleri kullanılarak transonik uçuşta şok dalgalarını zayıflatmak için araştırmalar yapılmıştır .

Modern jet motorlu uçakların çoğu, transonik hava hızlarında çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Transonik hava hızları, yaklaşık Mach 0.8'den itibaren sürtünmede hızlı bir artış görür ve hava hızını tipik olarak sınırlayan şey, sürüklemenin yakıt maliyetleridir. Tüm yüksek hızlı uçaklarda dalga sürtünmesini azaltma girişimleri görülebilir. En dikkate değer, süpürülmüş kanatların kullanılmasıdır , ancak başka bir yaygın biçim, Whitcomb alan kuralının bir yan etkisi olarak bir yaban arısı gövdesidir .

Helikopter ve uçakların rotor kanatlarının uçlarında da transonik hızlar meydana gelebilir . Bu, rotor kanadına ciddi, eşit olmayan baskılar uygular ve meydana gelmesi halinde kazalara neden olabilir. Bu, rotorların boyutunun ve helikopterlerin ileri hızlarının sınırlayıcı faktörlerinden biridir (bu hız, rotorun ileri süpürme [ön] tarafına eklendiğinden, muhtemelen lokalize transoniklere neden olur).

Tarih

Transonik Hava Akışını Keşfetmek

Hızla ilgili uçak uçuşlarıyla ilgili sorunlar ilk olarak 1941'de süpersonik çağda ortaya çıktı . Test pilotu Ralph Virden ölümcül bir uçak kazasında düştü. Süpersonik hava akımının neden olduğu bir şok dalgası kanat üzerinde geliştiğinde uçağın kontrolünü kaybetti ve uçağın durmasına neden oldu. Virden, Mach 0.675'te ses hızının çok altında uçtu ve bu da uçağın etrafında farklı hava akışlarının oluştuğu fikrini ortaya çıkardı. 40'lı yıllarda Kelley Johnson , sıkıştırılabilirliğin uçaklar üzerindeki etkisini araştıran ilk mühendislerden biri oldu. Bununla birlikte, mevcut rüzgar tünelleri , transonik hızların etkilerini test etmek için Mach 1'e yakın rüzgar hızı yaratma yeteneğine sahip değildi. Çok geçmeden, "transonik" terimi "ses hızının ötesinde" olarak tanımlandı ve NACA direktörü Hugh Dryden ve California Teknoloji Enstitüsü'nden Theodore von Kármán tarafından icat edildi .

Uçaktaki Değişiklikler

Başlangıçta, NACA , transonik uçuşa ulaşırken uçağı stabilize etmeye yardımcı olmak için "dalış kanatları" tasarladı. Uçağın alt tarafındaki bu küçük kanat, şok dalgalarını önlemek için uçağı yavaşlattı, ancak bu tasarım yalnızca süpersonik hızda uçan uçaklara bir çözüm bulmayı geciktirdi. Daha yeni rüzgar tünelleri, araştırmacıların test pilotlarının hayatlarını riske atmadan daha yeni kanat tasarımlarını test edebilmeleri için tasarlandı. Oluklu duvar transonik tünel NASA tarafından tasarlanan ve test kanatları ve farklı araştırmacıların izin verildi airfoils sonik hızlar için en iyi kanat uçlarındaki şeklini bulmak için transonik hava akımı içinde.

Birinci Dünya Savaşı'ndan sonra , uçak tasarımında büyük değişikliklerin transonik uçuşu iyileştirdiği görüldü. Bir uçağı stabilize etmenin ana yolu , uçak kanatlarının akorunu değiştirerek kanatların etrafındaki hava akışının hızını azaltmaktı ve transonik dalgaları önlemek için bir çözüm kanatları süpürmekti. Hava akımı kanatlara belirli bir açıyla çarpacağından kanat kalınlığı ve kiriş oranını azaltacaktır. Airfoils kanat şekilleri, şok dalgalarını önlemek ve kanat üzerindeki hava akımı mesafesini azaltmak için üst kısımda daha düz tasarlanmıştır. Daha sonra, Richard Whitcomb, benzer prensipleri kullanarak ilk süper kritik kanat profilini tasarladı .

Matematiksel analiz

Belirsiz bir kör gövde (mavi) etrafındaki üç hava akımı rejimi (siyah çizgiler) için akış çizgileri.

Güçlü bilgisayarların ortaya çıkmasından önce, sıkıştırılabilir akış denklemlerinin en basit biçimlerinin bile doğrusal olmamalarından dolayı çözülmesi zordu . Bu doğrusalsızlığın üstesinden gelmek için kullanılan yaygın bir varsayım, akış içindeki bozuklukların nispeten küçük olmasıdır; bu, matematikçilerin ve mühendislerin sıkıştırılabilir akış denklemlerini, tamamen ses altı veya ses üstü akışlar için nispeten kolay çözülebilir bir diferansiyel denklemler kümesine doğrusallaştırmasına olanak tanır . Bu varsayım, transonik akışlar için temelde doğru değildir, çünkü bir nesnenin neden olduğu bozulma, ses altı veya ses üstü akışlardan çok daha büyüktür; Mach 1'e yakın veya Mach 1'de bir akış hızı, akış tüplerinin (3B akış yolları) bozulmayı en aza indirmek için nesne etrafında yeterince daralmasına izin vermez ve bu nedenle bozulma yayılır. Aerodinamikçiler, daha önceki transonik akış çalışmaları sırasında mücadele ettiler, çünkü o zamanki mevcut teori, bu bozulmaların - ve dolayısıyla sürüklemenin - yerel Mach sayısı 1'e yaklaştıkça sonsuza yaklaştığını ima etti; bu, bilinen yöntemlerle düzeltilemeyecek, açıkça gerçekçi olmayan bir sonuçtu.

Transonik akış modellerinin doğrusal olmama durumunu ortadan kaldırmak için kullanılan ilk yöntemlerden biri hodograf dönüşümüydü. Bu kavram ilk olarak 1923'te , dönüşümü sıkıştırılabilir akış denklemlerini basitleştirmek ve çözülebilir olduklarını kanıtlamak için kullanan Francesco Tricomi adlı bir İtalyan matematikçi tarafından araştırıldı . Hodograf dönüşümünün kendisi de 1929'da Ludwig Prandtl ve OG Tietjen'in ders kitaplarında ve 1937'de Adolf Busemann tarafından keşfedildi , ancak ikisi de bu yöntemi özellikle transonik akışa uygulamadı.

Braunschweig'de bir Alman matematikçi ve mühendis olan Gottfried Guderley, II. Dünya Savaşı'nın sonlarına doğru hodograf yöntemini transonik akışa uygulama sürecinde Tricomi'nin çalışmasını keşfetti. Tricomi'nin türettiğiyle aynı, doğrusal olmayan ince kanat profili sıkıştırılabilir akış denklemlerine odaklandı, ancak bu denklemleri bir kanat profili üzerindeki akışı çözmek için kullanma hedefi benzersiz zorluklar ortaya koydu. Guderley ve Hideo Yoshihara, Busemann'dan gelen bazı girdilerle birlikte, daha sonra, bir çift kama kanat profili üzerindeki transonik akışın davranışını analitik olarak çözmek için Tricomi denklemlerinin tekil bir çözümünü kullandılar ; bunu yalnızca ince kanat teorisinin varsayımlarıyla yapan ilk kişi.

Başarılı olmasına rağmen, Guderley'in çalışması hala teorik odaklıydı ve Mach 1'de çift kama kanat profili için yalnızca tek bir çözümle sonuçlandı. Ames Laboratuvarı'nda Amerikalı bir mühendis olan Walter Vincenti , Guderley'in Mach 1 çalışmasını, Mach 1 ile tamamen süpersonik akış arasındaki transonik hız aralığını kapsar. Vincenti ve yardımcıları, Mach 1'in üzerindeki transonik akışta çift kamalı bir kanat profili üzerindeki sürükleme için dört sayısal çözüm kümesini tamamlamak için Howard Emmons'ın yanı sıra Tricomi'nin orijinal denklemlerini de kullandılar. Hem Julian Cole hem de Leon Trilling tarafından kapsanmış ve 1950'lerin başlarında kanat profilinin transonik davranışını tamamlamıştır.

yoğunlaşma bulutları

Transonik hızlarda süpersonik genişleme fanları , bir uçağın etrafındaki çeşitli noktalarda yoğun düşük basınçlı, düşük sıcaklıklı alanlar oluşturur. Sıcaklık çiy noktasının altına düşerse görünür bir bulut oluşur. Bu bulutlar, seyahat ederken uçakta kalır. Bu bulutların oluşması için uçağın bir bütün olarak süpersonik hızlara ulaşması gerekli değildir . Tipik olarak, uçağın pruvası hala ses altı uçuştayken, uçağın kuyruğu süpersonik uçuşa ulaşacaktır. Kuyruğu saran bir şok dalgasıyla sona eren bir süpersonik genişleme fanı balonu. Uçak hızlanmaya devam ettikçe, süpersonik genişleme fanları yoğunlaşacak ve art şok dalgası sonsuza ulaşılana kadar büyüyecek ve bu noktada yay şok dalgası oluşacaktır. Bu, Mach 1 ve Prandtl-Glauert tekilliğidir .

Astronomi ve astrofizikte transonik akışlar

Astrofizikte, şokların (duran, yayılan veya salınan) kanıtlarının olduğu her yerde, sadece süpersonik akışlar şokları oluşturduğundan, yakındaki akış transonik olmalıdır. Tüm kara delik birikimleri transoniktir. Bu tür akışların çoğu, kara deliklere çok yakın şoklara da sahiptir.

Genç yıldız nesnelerinden veya karadeliklerin etrafındaki disklerden gelen çıkışlar veya jetler, ses altı olarak başladıkları ve uzak bir mesafede her zaman süpersonik oldukları için transonik olabilir. Süpernova patlamalarına süpersonik akışlar ve şok dalgaları eşlik eder. Güneş rüzgarlarında oluşan yay şokları , bir yıldızdan gelen transonik rüzgarların doğrudan bir sonucudur. Güneş sistemimizin heliosferinin çevresinde bir yay şokunun olduğu uzun zamandır düşünülmüştü, ancak 2012 yılında yayınlanan IBEX verilerine göre durumun böyle olmadığı tespit edildi .

Languages

In other projects