Flujo compresible
El flujo compresible (o dinámica de gases ) es la rama de la mecánica de fluidos que se ocupa de los flujos que tienen cambios significativos en la densidad del fluido . Si bien todos los flujos son comprimibles , los flujos generalmente se tratan como incompresibles cuando el número de Mach (la relación entre la velocidad del flujo y la velocidad del sonido) es menor que 0.3 (ya que el cambio de densidad debido a la velocidad es aproximadamente 5% en ese caso). [1] El estudio del flujo compresible es relevante para aeronaves de alta velocidad, motores a reacción, motores de cohetes, entrada de alta velocidad a una atmósfera planetaria, gasoductos, aplicaciones comerciales como granallado abrasivo y muchos otros campos.
El estudio de la dinámica de los gases se asocia a menudo con el vuelo de aviones modernos de alta velocidad y la reentrada atmosférica de vehículos de exploración espacial; sin embargo, sus orígenes se encuentran en máquinas más simples. A principios del siglo XIX, la investigación del comportamiento de las balas disparadas permitió mejorar la precisión y las capacidades de los cañones y la artillería. [2] A medida que avanzaba el siglo, inventores como Gustaf de Laval avanzaron en el campo, mientras que investigadores como Ernst Mach buscaban comprender los fenómenos físicos involucrados a través de la experimentación.
A principios del siglo XX, el enfoque de la investigación de la dinámica de los gases se desplazó hacia lo que eventualmente se convertiría en la industria aeroespacial. Ludwig Prandtl y sus estudiantes propusieron conceptos importantes que van desde la capa límite hasta las ondas de choque supersónicas , los túneles de viento supersónicos y el diseño de toberas supersónicas. [2] Theodore von Kármán , un estudiante de Prandtl, continuó mejorando la comprensión del flujo supersónico. Otras figuras notables ( Meyer , Luigi Crocco y Ascher Shapiro) también contribuyó significativamente a los principios considerados fundamentales para el estudio de la dinámica moderna de los gases. Muchos otros también contribuyeron a este campo.
Junto con la mejor comprensión conceptual de la dinámica de los gases a principios del siglo XX, existía la idea errónea de que existía una barrera para la velocidad alcanzable de los aviones, comúnmente conocida como la " barrera del sonido ". En verdad, la barrera para el vuelo supersónico era meramente tecnológica, aunque era una barrera obstinada de superar. Entre otros factores, los perfiles aerodinámicos convencionales experimentaron un aumento dramático en el coeficiente de resistencia cuando el flujo se acercó a la velocidad del sonido. Superar el arrastre más grande resultó difícil con los diseños contemporáneos, de ahí la percepción de una barrera de sonido. Sin embargo, el diseño de la aeronave progresó lo suficiente como para producir el Bell X-1 . Pilotado por Chuck Yeager , el X-1 alcanzó oficialmente la velocidad supersónica en octubre de 1947.[3]
Históricamente, se han seguido dos caminos paralelos de investigación para ampliar el conocimiento de la dinámica de los gases. La dinámica de gas experimental lleva a cabo experimentos con modelos de túnel de viento y experimentos en tubos de choque y rangos balísticos con el uso de técnicas ópticas para documentar los hallazgos. La dinámica teórica de los gases considera las ecuaciones de movimiento aplicadas a un gas de densidad variable y sus soluciones. Gran parte de la dinámica de gases básica es analítica, pero en la era moderna la dinámica de fluidos computacional aplica el poder de computación para resolver las ecuaciones diferenciales parciales no lineales, que de otro modo serían intratables, del flujo compresible para geometrías y características de flujo específicas.
Hay varios supuestos importantes involucrados en la teoría subyacente del flujo compresible. Todos los fluidos están compuestos de moléculas, pero el seguimiento de una gran cantidad de moléculas individuales en un flujo (por ejemplo, a presión atmosférica) es innecesario. En cambio, la suposición del continuo nos permite considerar un gas que fluye como una sustancia continua, excepto a bajas densidades. Esta suposición proporciona una enorme simplificación que es precisa para la mayoría de los problemas de dinámica de gases. Solo en el reino de baja densidad de la dinámica de los gases enrarecidos se vuelve importante el movimiento de las moléculas individuales.
