Sua pergunta mostra que você sabe que a velocidade do som é a velocidade de pequenas mudanças de pressão em um fluido, e se movendo mais rápido do que isso não dará ao fluido à frente nenhum aviso de uma perturbação se aproximando. Portanto, aprofundarei minha resposta, sabendo plenamente que só posso arranhar a superfície. Convido você a perguntar mais especificamente se um tópico suscita seu interesse, mas não é suficientemente explicado.
Resposta curta
A velocidade do som é significativa no design de aeronaves, principalmente em:
- Dividindo os regimes de vôo em duas áreas com comportamento de fluxo marcadamente diferente,
- ajudando a converter uma geometria para fluxo compressível em uma que possa ser calculada por métodos mais simples e incompressíveis,
- limitar a velocidade prática máxima de vôo para viagens aéreas eficientes e
- dando ao designer dicas de como aumentar esse limite.
Na combustão de gases, a velocidade do som é menos significativa do que a velocidade na qual uma chama avança. Isto é mais complexo (PDF!) E depende do nível de turbulência, taxa de mistura, temperatura e energia de ativação para iniciar a reação de combustão.
Explicação
Para explicar a influência da velocidade do som, deixe-me ver o nível molecular: O ar é uma coleção de moléculas que se aglomeram constantemente, esbarrando umas nas outras com frequência. Expressamos isso com parâmetros macroscópicos:
- A intensidade das colisões é medida como pressão,
- o número de moléculas por volume é medido como densidade e
- a velocidade do movimento molecular é medida como temperatura.
Em repouso, a frequência e a intensidade dessas colisões são as mesmas em todas as direções. Se algo se move através do gás a uma velocidade muito abaixo da velocidade do som, as colisões ainda têm aproximadamente a mesma intensidade em toda a volta. A intensidade local pode variar, mas as moléculas permanecerão igualmente distribuídas sobre o volume. Isso significa que a perturbação causará uma mudança na pressão, mas a densidade não será afetada.
Métodos de similaridade
Movendo-se mais rapidamente, o distúrbio causará colisões mais intensas na direção do movimento e começará a unir as moléculas: agora também causará mudanças de densidade fracas, e elas crescerão com o quadrado de sua velocidade. Para recuperar uma distribuição igual no espaço, as moléculas agora se moverão para os lados (e para cima e para baixo), e as mudanças de pressão chegarão mais longe para os lados. Quando você compara os campos de pressão em velocidades diferentes, o campo "mais rápido" se parece com o produzido por uma perturbação mais estreita em velocidade mais baixa. Este efeito é capturado pelo Fator de Prandtl-Glauert $ (1-Mach) ^ 2 $. Escalar as coordenadas Y e Z de uma geometria de aeronave (onde X está na direção do vôo) com esse fator resultará em uma geometria que pode ser calculada com métodos incompressíveis.
Na velocidade do som, esse fator tem uma singularidade, portanto sua aplicação deve ser restrita a velocidades abaixo do Mach 0.7. Acima do Mach 1, uma transformação semelhante pode ser aplicada, agora usando o Ackeret fator $ (Mach-1) ^ 2 $.
Fluxo convergente e divergente
A razão entre mudanças de densidade e mudanças de pressão continua a aumentar, de modo que no fluxo supersônico as mudanças de densidade se tornam dominantes. Isso é mostrado ao observar o fluxo em um duto em expansão ou contração:
- O fluxo subsônico em um duto em expansão desacelerará para preservar a densidade e acelerará em um duto contraído.
- O fluxo supersônico em um duto em expansão acelerará ainda mais, reduzindo a densidade e a pressão, e desacelerará em um duto em contração.
Esse comportamento diferente é usado ao acelerar os gases comprimidos que fluem de uma turbina de aeronave: Primeiro, o diâmetro do bico é reduzido até que o gás acelere à velocidade do som. Para acelerar ainda mais o gás, agora o diâmetro precisa aumentar novamente na direção do fluxo. O resultado é um bico convergente-divergente, uma parte típica dos motores a jato supersônicos.
Arrastar onda
Agora imagine a aeronave em câmera lenta lateralmente enquanto corta o ar em velocidade supersônica: como a pressão aumenta enquanto o corpo da aeronave se expande e diminui após a contração, você terá dois componentes de arrasto no fluxo supersônico que não existem no fluxo subsônico. : As peças voltadas para a frente experimentam maior pressão e as peças voltadas para a traseira experimentam sucção. Esse efeito é chamado de arrasto por onda e torna o vôo supersônico inerentemente menos eficiente que o vôo subsônico.
Projeto transsonico
O mesmo efeito também afeta o campo de pressão em torno de uma aeronave que está se aproximando da velocidade do som. Seu movimento desloca o ar e tem um efeito semelhante a um duto de contração, acelerando o fluxo nas proximidades, enquanto a aeronave cresce mais espessa na direção do fluxo, e desacelerando-o novamente na metade traseira onde contrai. Uma vez que esse fluxo local atinja a velocidade do som, ele acelera ainda mais enquanto o contorno da aeronave se contrai, levando a uma bolsa supersônica de ar que não diminui a velocidade. Fá-lo eventualmente, colapsando em um choque local que pode causar separação de fluxo e alta resistência local. Pior ainda, essa separação afetará todo o campo de pressão e reduzirá o aumento de velocidade, o que abre um loop de feedback que fará o choque flutuar. Esse choque oscilante pode excitar vibrações, tornar as superfícies de controle ineficazes e incitar vibrações.
Para reduzir o aumento da velocidade local, as superfícies dos aviões podem ser varridas, de modo que a velocidade do vôo possa ser aumentada sem se deparar com os efeitos transsonicos mencionados. Além disso, a varredura eliminará os efeitos sônicos ao acelerar através do Mach 1, para que o pico de arrasto ao redor do Mach 1 possa ser bastante reduzido.
Em torno do Mach 1, é importante limitar a taxa na qual o corpo da aeronave se expande ou contrai na direção do vôo, e a natureza mais ampla das mudanças de pressão permite ao projetista expandir uma parte da aeronave para compensar a contração local em uma parte diferente quando ambos estiverem na mesma posição em relação à direção do voo. A conseqüência disso é a regra de área que mostra em fuselagens de coque-garrafa ou grande carenagem de pista de aba.
