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Pression dynamique dans un écoulement compressible

1930
  • Ernst Mach
  • Ludwig Prandtl
  • Theodore von Kármán
Ingénieurs aérospatiaux analysant des données de pression dynamique dans un laboratoire de haute technologie.

(Image générée à titre d'illustration uniquement)

In compressible flows, particularly at high speeds, dynamic pression is related to Nombre de Mach ([latex]M[/latex]) and static pressure ([latex]p[/latex]). For an ideal gas, the relationship is given by [latex]q = \frac{1}{2} \gamma p M^2[/latex], where [latex]\gamma[/latex] is the ratio of specific heats. This formulation is crucial for supersonic and hypersonic aerodynamics, where fluid density changes significantly.

When a fluid’s speed approaches a significant fraction of the vitesse du son, the assumption of constant density (incompressibility) breaks down. Changes in pressure cause significant changes in density, and thermodynamic effects become important. This is the realm of compressible flow. The simple formula [latex]q = \frac{1}{2} \rho u^2[/latex] is still used as a formal definition, but its relationship to pressure changes is more complex. The formula [latex]q = \frac{1}{2} \gamma p M^2[/latex] provides a direct link between dynamic pressure and the key parameters of compressible flow: static pressure ([latex]p[/latex]), the ratio of specific heats ([latex]\gamma[/latex], which is a property of the gas, approximately 1.4 for air), and the Mach number ([latex]M = u/a[/latex], where [latex]a[/latex] is the local speed of sound).

This equation is derived from the definition of Mach number and the ideal gas equation of state. It is fundamental in high-speed aerodynamics. For instance, the pressure measured at a stagnation point ([latex]p_0[/latex]) in supersonic flow is not given by the simple Bernoulli equation. Instead, it is related to the static pressure by the isentropic flow relations or, if a shock wave is present, by the Rankine-Hugoniot relations. In these calculations, the term [latex]\frac{1}{2} \gamma p M^2[/latex] frequently appears, representing the kinetic energy component of the flow in a thermodynamically consistent way. This is crucial for accurately predicting the extreme pressures and temperatures experienced by supersonic aircraft, re-entry capsules, and meteorites entering the atmosphere. The concept is also sometimes referred to as “impact pressure” in this context, emphasizing the pressure rise due to the fluid’s momentum being brought to rest.

UNESCO Nomenclature: 3301
Ingénierie et technologie aéronautiques

Taper

Système abstrait

Perturbation

Substantiel

Usage

Utilisation généralisée

Précurseurs

  • Loi des gaz parfaits
  • Principes de la thermodynamique
  • Bernoulli’s principle for incompressible flow
  • Concept of the speed of sound and Nombre de Mach
  • Équations d'Euler pour la dynamique des fluides

Applications

  • conception d'avions supersoniques et hypersoniques
  • conception du système de protection thermique du véhicule de rentrée
  • conception et analyse des performances des tuyères de fusée
  • développement de moteurs à statoréacteur et à superstatoréacteur
  • essais en soufflerie à grande vitesse
  • modeling of stellar winds and astrophysical jets

Brevets:

NA

Idées d'innovations potentielles

  • systèmes de protection thermique adaptatifs pour véhicules hypersoniques qui utilisent l'analyse des flux compressibles en temps réel pour refroidir activement les bords d'attaque
  • moteurs à statoréacteur à géométries d'admission à réglage dynamique pour maintenir une position optimale de l'onde de choc et une efficacité de combustion sur une gamme de nombres de Mach
  • advanced computational fluid dynamics (cfd) solvers for astrophysique that model supernova explosions and accretion disks using compressible dynamic pressure formulations
  • outils de diagnostic médical non invasifs qui utilisent des ultrasons focalisés (un phénomène de fluide compressible) pour briser les calculs rénaux
  • techniques de traitement des matériaux supersoniques qui utilisent des jets de gaz pour couper ou traiter des surfaces avec une grande précision
  • souffleries de nouvelle génération capables de simuler des conditions de vol hypersonique pour tester des modèles de véhicules de rentrée
  • technologie de suppression active du bruit pour les avions supersoniques qui prédit et neutralise la formation de bangs soniques
  • systèmes d'alerte d'impact de météoroïdes pour satellites qui modélisent la pression dynamique exercée par les impacts de petites particules
  • laser-induced plasma channels for directed energy weapons, where the channel’s stability is governed by compressible gas dynamics
  • modèles avancés de moteurs à combustion interne qui traitent l'explosion air-carburant comme un phénomène d'écoulement compressible pour optimiser l'efficacité et réduire le cliquetis
Related to: compressible flow, supersonic, hypersonic, mach number, pression dynamique, gas dynamics, specific heat ratio, shock wave, aerodynamics, impact pressure.

Contexte historique

Pression dynamique dans un écoulement compressible

1925-01-01
1930
1930
1930
1930
1934
1940
1924
1927
1930
1930
1930
1930
1940
1940

(si la date est inconnue ou non pertinente, par exemple « mécanique des fluides », une estimation arrondie de son émergence notable est fournie)

10e année anniversaire

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