Transonic - Transonic

Transsonisen F / A-18: n ympärillä olevien yliäänitaajuisten paisuntapuhaltimien aerodynaamiset kondensaatiotodisteet

Sears-Haack elin esittää poikkileikkauksen pinta-ala vaihtelu, joka minimoi aalto vetää .

Iskuaallot voivat näkyä heikkoina optisina häiriöinä ylikriittisillä siivillä varustettujen lentokoneiden yläpuolella

Transonic virtaus mallit sitä kantopinnan , joka esittää virtauskuviot ja sen yläpuolella kriittinen Mach

Transonic (tai transsonic ) virtaus on ilmaa, joka virtaa kohteen ympärillä nopeudella, joka tuottaa sekä subsonisen että yliäänisen ilmavirran alueita kyseisen objektin ympärille. Tarkka nopeusalue riippuu kohteen kriittisestä Mach-luvusta , mutta transoninen virtaus nähdään lentonopeuksilla, jotka ovat lähellä äänen nopeutta (343 m / s merenpinnalla), tyypillisesti välillä 0,8 ja 1,2 Mach .

Transonisen nopeuden (tai transonisen järjestelmän) kysymys ilmestyi ensimmäisen kerran toisen maailmansodan aikana. Lentäjät havaitsivat lähestyessään ääniestettä, että ilmavirta aiheutti lentokoneiden epävakauden. Asiantuntijat havaitsivat, että iskuaallot voivat aiheuttaa suuria eroja myötävirtaan, lisätä vastusta ja lisätä epäsymmetriaa ja epävakautta ajoneuvon ympärillä olevaan virtaukseen. Tutkimusta on tehty osaksi heikentämällä paineaallot äänennopeudella lennon käyttämällä sokkia elinten ja ylikriittinen airfoils .

Suurin osa nykyaikaisista suihkukoneista on suunniteltu toimimaan transonic-ilmanopeuksilla. Transonic-lentonopeuksien vetovoima kasvaa nopeasti noin 0,8 Mach: sta, ja vastuksen polttoainekustannukset rajoittavat tyypillisesti nopeutta. Yritetään vähentää aallonvastusta voidaan nähdä kaikissa suurnopeuskoneissa. Merkittävin on pyyhittyjen siipien käyttö , mutta toinen yleinen muoto on ampiainen-vyötäröinen runko Whitcomb-alueen säännön sivuvaikutuksena .

Transonic-nopeuksia voi esiintyä myös helikoptereiden ja lentokoneiden roottorin siipien kärjissä . Tämä aiheuttaa roottorin terälle vakavia, epätasaisia rasituksia ja voi johtaa onnettomuuksiin, jos sitä tapahtuu. Se on yksi roottoreiden koon ja helikoptereiden eteenpäin suuntautuvien nopeuksien rajoittavista tekijöistä (koska tämä nopeus lisätään roottorin eteenpäin suuntautuvaan [johtavaan] puoleen, mikä saattaa aiheuttaa paikallisen transoniikan).

Historia

Transonicin ilmavirran löytäminen

Nopeuteen liittyvät lentokoneiden lentoon liittyvät kysymykset ilmestyivät ensimmäisen kerran yliäänitaajuuden aikakaudella 1941. Ralph Virden, koelentäjä, kaatui kohtalokkaassa koneonnettomuudessa. Hän menetti koneen hallinnan, kun siiven yli kehittyi yliäänisen ilmavirran aiheuttama isku, joka sai sen pysähtymään. Virden lensi äänenopeuden alapuolella nopeudella 0,675 Mach, mikä toi idean koneen ympärille muodostuvista erilaisista ilmavirroista. 40-luvulla Kelley Johnsonista tuli yksi ensimmäisistä insinööreistä, joka tutki puristettavuuden vaikutusta lentokoneisiin. Nykyisillä tuulitunneleilla ei kuitenkaan ollut kykyä luoda tuulen nopeutta lähellä Mach 1: ää transoonisten nopeuksien vaikutusten testaamiseksi. Pian sen jälkeen termi "transonic" määriteltiin tarkoittavan "koko äänen nopeudella" ja sen keksivät NACA: n johtaja Hugh Dryden ja Theodore von Kármán Kalifornian teknillisestä instituutista.

Muutokset lentokoneissa

Alun perin NACA suunnitteli "sukellusläpät" auttaakseen vakauttamaan tasoa transonisen lennon saavuttaessa. Tämä pieni läppä koneen alapuolella hidasti lentokonetta iskuaaltojen estämiseksi, mutta tämä malli vain viivästytti ratkaisun löytämistä yliäänenopeudella lentäville lentokoneille. Uudemmat tuulitunnelit on suunniteltu siten, että tutkijat voivat testata uudempia siipimalleja vaarantamatta koelentäjien elämää. NASA on suunnitellut uraseinän transonisen tunnelin, jonka avulla tutkijat voivat testata siipiä ja erilaisia kantokanavia transonisessa ilmavirrassa parhaan siipikärjen muodon löytämiseksi äänenopeuksille.

Ensimmäisen maailmansodan jälkeen merkittävien muutosten lentokoneiden suunnittelussa nähtiin parantavan transonista lentoa. Päätapa lentokoneen vakauttamiseksi oli vähentää ilmavirran nopeutta siipien ympärillä vaihtamalla lentosiipien sointua , ja yksi ratkaisu transonisten aaltojen estämiseksi oli pyyhkäiset siivet. Koska ilmavirta osuisi siipiin kulmassa, se vähentäisi siipien paksuutta ja sointusuhdetta. Siipimuotojen siipimuodot suunniteltiin tasaisemmiksi ylhäältä estämään iskut ja vähentämään ilmavirtausta siiven yli. Myöhemmin Richard Whitcomb suunnitteli ensimmäisen ylikriittisen lentokelan käyttäen samankaltaisia periaatteita.

Matemaattinen analyysi

Suoraviivainen kolme ilmavirtaohjelmaa (mustat viivat) kuvaamattoman tylpän rungon (sininen) ympärillä.

Ennen voimakkaiden tietokoneiden tuloa kokoonpuristuvien virtausyhtälöiden yksinkertaisia muotoja oli vaikea ratkaista epälineaarisuutensa vuoksi . Tämän epälineaarisuuden kiertämiseen käytetty yleinen oletus on, että virtauksen sisällä olevat häiriöt ovat suhteellisen pieniä, mikä antaa matemaatikoille ja insinööreille mahdollisuuden linearisoida kokoonpuristuvat virtausyhtälöt suhteellisen helposti ratkaistavaksi differentiaaliyhtälöjoukoksi joko kokonaan tai yliäänenvoimalle. Tämä oletus on pohjimmiltaan epätosi transionivirroille, koska kohteen aiheuttama häiriö on paljon suurempi kuin ali- tai yliäänen virtauksissa; virtausnopeus lähellä Mach 1: tä tai sen kohdalla ei salli virtausputkien (3D virtausreittien) supistumista riittävästi kohteen ympärillä häiriön minimoimiseksi, ja siten häiriö etenee. Aerodynaamiset taistelivat aikaisemmissa transonisen virtauksen tutkimuksissa, koska silloinen nykyinen teoria viittasi siihen, että nämä häiriöt - ja siten vetävät - lähestyivät ääretöntä, kun paikalliset Mach-numerot lähestyivät 1, mikä on ilmeisen epärealistinen tulos, jota ei voitu korjata tunnetuilla menetelmillä.

Yksi ensimmäisistä menetelmistä, joita käytettiin transonisten virtausmallien epälineaarisuuden kiertämiseen, oli hodografimuunnos . Tätä konseptia tutki alun perin vuonna 1923 italialainen matemaatikko Francesco Tricomi , joka käytti muunnosta yksinkertaistamaan kokoonpuristuvia virtausyhtälöitä ja osoittamaan, että ne olivat ratkaistavissa. Itse hodografimuunnosta tutkivat myös Ludwig Prandtlin ja OG Tietjenin oppikirjat vuonna 1929 ja Adolf Busemann vuonna 1937, vaikka kumpikaan ei soveltanut tätä menetelmää nimenomaan transoniseen virtaukseen.

Saksalainen matemaatikko ja insinööri Braunschweigista Gottfried Guderley löysi Tricomin työn hodografimenetelmän soveltamisessa transoniseen virtaukseen lähellä toisen maailmansodan loppua. Hän keskittyi epälineaarisiin ohutlevyn kokoonpuristuviin virtausyhtälöihin, samat kuin mitä Tricomi johti, vaikka hänen tavoitteensa käyttää näitä yhtälöitä ratkaistakseen virtaus kantokannella esitti ainutlaatuisia haasteita. Guderley ja Hideo Yoshihara, yhdessä joidenkin Busemannin panosten kanssa, käyttivät myöhemmin Tricomin yhtälöiden yksikköratkaisua ratkaisemaan analyyttisesti transonisen virtauksen käyttäytymisen kaksinkertaisen kiilan kantokanavan yli , ensin tekemällä niin vain oletuksilla ohutlevyketjuilla.

Vaikka menestys olikin, Guderleyn työ keskittyi silti teoreettiseen, ja tuloksena oli vain yksi ratkaisu kaksinkertaiseen kiilalentokoneeseen Mach 1. Walter Vincenti , amerikkalainen insinööri Amesin laboratoriossa , pyrki täydentämään Guderleyn Mach 1 -työtä numeerisilla ratkaisuilla, jotka peittää transonic-nopeusalueen Mach 1: n ja kokonaan yliäänisen virtauksen välillä. Vincenti ja hänen avustajansa käyttivät Howard Emmonsin työtä ja Tricomin alkuperäisiä yhtälöitä täydentääkseen neljää numeerista ratkaisua kaksinkertaisen kiilan kantokannen vetämiseen transkonivirrassa Mach 1: n yläpuolella. Ääni subäänisen ja Mach 1 -virtauksen välillä oli myöhemmin sekä Julian Cole että Leon Trilling kattavat aluksen transoonisen käyttäytymisen 1950-luvun alkuun mennessä.

Kondensaatiopilviä

Transoonisilla nopeuksilla yliäänipuhaltimet muodostavat voimakkaita matalapaineisia ja matalan lämpötilan alueita lentokoneen eri pisteissä. Jos lämpötila laskee kastepisteen alapuolelle, muodostuu näkyvä pilvi. Nämä pilvet pysyvät lentokoneen mukana sen liikkuessa. Ei ole välttämätöntä, että koko ilma-alus saavuttaa yliäänenopeuden, jotta nämä pilvet muodostuisivat. Tyypillisesti lentokoneen pyrstö saavuttaa yliäänisen lennon, kun lentokoneen keula on edelleen aliäänellä. Häntä yliäänitaajuisten laajennuspuhaltimien pää, joka päättyy herätysiskuilla, ympäröi häntä. Kun lentokone kiihtyy edelleen, yliäänen laajennuspuhaltimet voimistuvat ja herätysiskujen koko kasvaa, kunnes ääretön on saavutettu, jolloin keula-aalto muodostuu. Tämä on Mach 1 ja Prandtl – Glauert-singulariteetti .

Transoniset virtaukset tähtitieteessä ja astrofysiikassa

Astrofysiikassa, missä on todisteita iskuista (seisovista, etenevistä tai värähtelevistä), lähellä olevan virtauksen on oltava transonic, koska vain yliäänen virtaukset muodostavat iskuja. Kaikki mustan aukon kasvut ovat transonisia. Monilla tällaisilla virtauksilla on myös iskuja hyvin lähellä mustia aukkoja.

Mustien aukkojen ympärillä olevien nuorten tähtikohteiden tai levyjen ulosvirtaukset tai suihkut voivat olla myös transonic, koska ne alkavat subonisesti ja pitkällä etäisyydellä ne ovat aina yliääntä. Supernovae-räjähdyksiin liittyy yliäänen virtauksia ja sokkiaaltoja. Aurinkotuulissa muodostuvat keula-iskut ovat suoria seurauksia tähden transoneista tuulista. Oli jo kauan ajateltu, että keula-isku oli läsnä aurinkokuntamme heliosfäärissä, mutta vuonna 2012 julkaistujen IBEX- tietojen mukaan tämän ei todettu tapahtuvan .

Languages

In other projects