Machzahl und Kompressibilität
Die Mach-Zahl (M) ist eine dimensionslose Größe, die das Verhältnis der Strömungsgeschwindigkeit an einer Grenzfläche zur lokalen Strömungsgeschwindigkeit darstellt. SchallgeschwindigkeitDie Mach-Zahl (M) berechnet sich nach der Formel M = v/a, wobei v die Strömungsgeschwindigkeit und a die Schallgeschwindigkeit ist. Sie ist der wichtigste Indikator für Kompressibilitätseffekte. Mit Annäherung an und Überschreiten von 1 ändert sich die Luftdichte signifikant, wodurch sich die aerodynamischen Kräfte verändern.
Die Mach-Zahl ist der wichtigste Parameter bei der Analyse von schnellen, kompressiblen Strömungen. Anders als bei langsamen (inkompressiblen) Strömungen, bei denen von einer konstanten Luftdichte ausgegangen wird, ist diese Annahme bei hohen Geschwindigkeiten nicht mehr gegeben. Die Mach-Zahl kategorisiert Strömungen in verschiedene Bereiche: Unterschall (M < 1), Transschall (0,8 5). Jeder Bereich weist einzigartige physikalische Eigenschaften auf.
Im Unterschallbereich verhält sich Luft weitgehend wie eine inkompressible Flüssigkeit, und Druckstörungen breiten sich vom Flugzeug in alle Richtungen aus. Nähert sich ein Flugzeug Mach 1 (Transschallbereich), hat die Luft vor ihm weniger Vorwarnzeit. Die Luftströmung erreicht in einigen Bereichen, wie beispielsweise an der gewölbten Oberseite der Tragfläche, Schallgeschwindigkeit, selbst wenn das Flugzeug selbst Unterschall fliegt. Dies erzeugt lokale Stoßwellen – abrupte Diskontinuitäten in Druck, Dichte und Temperatur. Diese Stoßwellen können einen drastischen Anstieg des Luftwiderstands (Wellenwiderstand) und einen Auftriebsverlust verursachen, ein Phänomen, das als Schallmauer bekannt ist.
Sobald ein Flugzeug Mach 1 (Überschallflug) überschreitet, überflügelt es seine eigenen Druckwellen. Diese Wellen verschmelzen zu einer starken Stoßwelle, typischerweise kegelförmig an Bug und Heck, die am Boden als Überschallknall hörbar ist. Im Überschall- und Hyperschallflug wird die Physik von diesen Stoßwellen bestimmt. Das aerodynamische Design wechselt von glatten, abgerundeten Formen zu scharfen Vorderkanten, um die starke Hitze und die Kräfte, die mit starken Stößen einhergehen, zu bewältigen. Die Untersuchung der Kompressibilität ist daher für jedes Fahrzeug, das mit Schallgeschwindigkeit oder schneller fliegen soll, von entscheidender Bedeutung.
UNESCO Nomenclature: 2210
- Mechanik
Verwendung
Weitverbreitete Verwendung
Vorläufer
- Studien zur Schallgeschwindigkeit von verschiedenen Wissenschaftlern, darunter Pierre Gassendi und Isaac Newton
- Doppler-Effekt, der Änderungen der Wellenfrequenz bei Bewegung beschreibt
- Frühe ballistische Studien zu Projektilen, die sich schneller als der Schall bewegen
Anwendungen
- Design von Überschall- und Hyperschallflugzeugen wie Jets und Raketen
- Überschallknall verstehen
- Design von Hochgeschwindigkeitsturbinenschaufeln in Strahltriebwerken
- Ballistik und Projektildesign
- Düsen für Raketentriebwerke (De-Laval-Düse)
Potenzielle Innovationsideen
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Verwandt mit: Mach-Zahl, Kompressibilität, Überschall, Transschall, Hyperschall, Stoßwelle, Schallmauer, Wellenwiderstand.