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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 speed of sound, 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 de la vitesse du son et du 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
  • modélisation des vents stellaires et des jets astrophysiques

Brevets:

NA

Idées d'innovations potentielles

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Related to: compressible flow, supersonic, hypersonic, mach number, dynamic pressure, 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)

Inventions, innovations et principes techniques connexes

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