Flujo Compresible

Flujo compresible

Flujo compresible es el área de la mecánica de fluidos que se ocupa de los fluidos en el que el fluido densidad varía significativamente en respuesta a un cambio en la presión, compresibilidad efectos se consideran típicamente significativa si el número de Mach (la relación de la velocidad de flujo a lo local velocidad del sonido) del flujo excede de 0,3, o si el fluido se somete a cambios de presión muy grandes. Las diferencias más claras entre las compresibles e incompresibles modelos de flujo son que el modelo de flujo compresible permite la existencia de las ondas de choque y de flujo estrangulado.

Flujo compresible describe el comportamiento de los fluidos que experimentan variaciones significativas en la densidad. Para los flujos en los que la densidad no varía significativamente, el análisis del comportamiento de estos flujos se puede simplificar en gran medida por suponiendo una densidad constante. Esta es una idealización, lo que conduce a la teoría de flujo incompresible. Sin embargo, en muchos casos los que se ocupan de los gases (especialmente a altas velocidades) y los casos de aquellos que se ocupan de líquidos con grandes cambios de presión, las variaciones significativas en la densidad pueden ocurrir, y el flujo debe ser analizada como un flujo compresible si los resultados son precisos para ser obtenido [1] .

Teniendo en cuenta un cambio en la densidad aporta una variable adicional en el análisis. En contraste con los flujos incompresibles, que normalmente se pueden resolver teniendo en cuenta únicamente las ecuaciones de conservación de la masa y la conservación del momento. Por lo general, el principio de conservación de la energía está incluido. Sin embargo, esto introduce otra variable (temperatura), y así una cuarta ecuación (tal como la ecuación de gas ideal) es necesaria para relacionar la temperatura a las propiedades termodinámicas otros con el fin de describir completamente el flujo.

Cuando se define lo que se entiende por un flujo compresible, es útil para comparar la densidad a un valor de referencia, tales como la densidad de estancamiento, Que es la densidad del fluido si fuera a ser frenado isoentrópicamente a estacionario. Como una regla general, si el cambio en la densidad relativa a la densidad de estancamiento es mayor que 5%, a continuación, el fluido debe ser analizado como un flujo compresible. Para un gas ideal con una relación de calores específicos de 1,4, esto se produce en un número de Mach mayor que aproximadamente 0,3. Por debajo de este valor, sin embargo, sea o no un caso específico debe ser entendido como compresible o incompresible depende en gran medida del nivel de precisión que se requiere.

Fluido comprimido

También llamado un líquido sub-enfriado. Es un líquido bajo o mecánicas y las condiciones termodinámicas que obligan a que sea un líquido. Es un líquido a una temperatura más baja que la temperatura de saturación en un momento dado la presión. En una parcela comparando la presión absoluta y el volumen específico (comúnmente llamado un diagrama PV), de un gas real, un fluido comprimido está a la izquierda del líquido - vapor de límite de la fase , es decir, será a la izquierda de la cúpula de vapor.

Algunas de las condiciones que causan un líquido para ser comprimido, son los siguientes:

®Un volumen específico menor que el volumen específico de un líquido saturado.

®Una temperatura del fluido por debajo de la temperatura de saturación.

®Una presión superior a la presión de saturación.

®Una entalpía menor que la entalpía de un líquido saturado.

El término "líquido comprimido" hace hincapié en que la presión es mayor que la presión de saturación para la temperatura dada.

Comprimidos propiedades del líquido son relativamente independientes de la presión. Como tal, es generalmente aceptable para tratar un líquido comprimido como un líquido saturado a la temperatura dada.

Un diagrama Pv para el líquido del agua. La región fluido comprimido se encuentra a la izquierda de la línea azul (el límite de la fase líquido-vapor).

Compresibilidad

El volumen de un fluido cambia de V a V + V δ como resultado de la presión aplicada cambiando de pa p + p δ. La compresibilidad (β) es básicamente (δ V / V) / p δ es decir, la proporción del cambio proporcional de volumen para cambiar de presión. Este es el recíproco de la mayor parte K. módulo El grueso K módulo es similar al factor de resorte, que es K. (Δ V / V) = δ p

El volumen del fluido disminuye claramente si la presión aumenta y es proporcional supone que el fluido no cambia de estado durante el proceso (sigue siendo un gas-líquido, sólido o.

Para el agua de lo normal la temperatura / presión K = 2,06 x 10 9 Pa, y para el aire K = 1,4 x l0 5 Pa asumir el cambio adiabático. En el caso del agua, 1 / K = 4,85 x l0 -10 Pa -1. Agua comprime por aproximadamente 0,005% cuando la presión se incrementa en 1 atm (10 5 Pa).

El producto de la densidad (ρ) y el volumen es la masa es decir, ρ V = m = constante. , Y por lo tanto, el volumen V = m / ρ. El módulo de volumen se puede expresar en términos de densidad se explica a continuación:

Para los gases del módulo de volumen es muy dependiente de las condiciones: si la compresión se lleva a cabo a temperatura constante el módulo de volumen se llama el módulo de compresibilidad isotérmica y si la compresión se lleva a cabo sin transferencia de calor a través de la frontera del sistema el módulo de volumen colled se el módulo de compresibilidad isentrópico. La relación de modulii granel isoentrópica / isotérmica es γ que es la relación de los calores específicos.

Los fenómenos de fluidos compresibles:

Dos de los fenómenos más característicos que se producen en compresible son la posibilidad de flujo estrangulado (véase flujos internos) y la presencia de ondas acústicas, que también pueden ser mencionados, ya sea como ondas de compresión o expansión, dependiendo de si conducen a un aumento o una disminución de la presión

Ondas de choque

Las ondas de choque son uno de los ejemplos más comunes de los fenómenos de fluidos compresibles. Un choque se caracteriza por un cambio discontinuo en las propiedades termodinámicas. En uno flujos dimensionales, las ondas de choque se puede formar cuando una serie de ondas de compresión se unen, o cuando una membrana que separa dos regiones de presión diferentes se retira repentinamente. Esta es la técnica más usada para producir ondas de choque en tubos de choque (ver tubos de choque).

En dos y tres flujos supersónicos dimensionales, ondas de choque oblicuas ocurrir como resultado de un cambio en la dirección del flujo. Un ejemplo clásico de estas ondas de choque son las ondas de choque que se forman fuera de la nariz de un avión supersónico.

La aerodinámica

La aerodinámica es un sub-campo de la dinámica de fluidos y dinámica de gases, y se refiere principalmente a la obtención de las fuerzas que ejerce el aire sobre un objeto. Para números de Mach mayores que aproximadamente 0,3, los cambios de densidad son significativos, y el flujo debe ser considerado compresible para una representación exacta de la realidad.

Aerodinámica subsónica

Debido a las complejidades de la teoría de flujo compresible, a menudo es más fácil de calcular las características de flujo incompresibles primero, y luego emplear un factor de corrección para obtener las propiedades de flujo reales. Varios factores de corrección existen con distintos grados de complejidad y precisión.

Prandtl-Glauert transformación

La transformación de Prandtl-Glauert se encuentra por linealizar las ecuaciones potenciales asociados con compresible, el flujo no viscoso. La transformación de Prandtl-Glauert o Prandtl-Glauert regla (también Prandtl-Glauert-Ackeret regla) es una función de aproximación que permite la comparación de los procesos aerodinámicos que ocurren en diferentes números de Mach. Se descubrió que las presiones linealizadas en tal flujo eran iguales a las que se encuentran a partir de la teoría de flujo incompresible multiplicado por un factor de corrección. Este factor de corrección es la siguiente:

Dónde:

*Cp es el coeficiente de presión compresible.

*Cp0 es el incomprensible coeficiente de presión.

*M es el número de Mach.

Este factor de corrección que funciona bien para todos los números de Mach entre 0,3 y 0,7. Cabe señalar que, dado que este factor de corrección se deriva de las ecuaciones linealizadas, las presiones calculadas siempre es menor en magnitud que las presiones reales dentro del fluido.

Karman-Tsien factor de corrección

La transformación Karman-Tsien es un factor de corrección no lineal para encontrar el coeficiente de presión de un compresible, el flujo viscoso. Es un factor de corrección derivada empíricamente que tiende a sobreestimar ligeramente la magnitud de la presión del fluido. Con el fin de emplear este factor de corrección, el incompresible, la presión del fluido viscoso se debe conocer de la investigación anterior.

*Cp es el coeficiente

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