הפרדת זרימה מתרחשת כאשר שיפוע הלחץ של זרימת האוויר לאורך נתיב הזרימה הופך תלול מדי. בזרימה תת קולית, האוויר המתקרב מואט תחילה לפני הכנף, ואז מואץ במהירות כאשר הוא זורם סביב קטע האף המעוקל מאוד של כנף. האצה זו היא תוצאה של העקמומיות של הכנף. ראו זאת כך: אם זרימת האוויר תהיה לאורך קו ישר, היא הייתה מתרחקת מהשטח ויוצרת ואקום מקומי. במציאות, האוויר מתיישב בפשרה בין הנתיב הישיר ובעקבות קו המתאר, ויוצר לחץ הולך ופוחת לאורך שטח עם עקמומיות הולכת וגוברת ומגביר לחץ לאורך משטחים עם פיתול עיקול. ליתר דיוק, זה תמיד נמצא בשיווי משקל בין כוחות אינרציאליים, צמיגים ולחץ. ככל שהלחץ נמוך יותר, האוויר מאיץ יותר, כך שסך האנרגיה של האוויר (סכום הלחץ והאנרגיה הקינטית) נשאר קבוע. לכן, לחץ ומהירות מקומית משתנים בסנכרון.

כאשר העקמומיות פוחתת במורד הזרם, נתיב הזרימה נעשה ישר והלחץ עולה שוב. עם זאת, חלקיקי האוויר הקרובים לכנף מאטים בגלל חיכוך. שכבת האוויר בה ניכרת האטה זו נקראת שכבת גבול. בה מצטברות השפעות ההאטה עקב עליית לחץ ועקב חיכוך, ובשלב מסוים האוויר נעצר יחסית לכנף. איפה שזה קורה, האוויר הסטטי יתאסף ויצטבר ויגרום להפרדת זרימה. למרבה המזל, חילופי האוויר על פני שכבת גבול סוערת בועטים בחלקיקי האוויר האיטיים במורד הזרם, כך שבזוויות התקפה מתונות האוויר עדיין נע עד שהוא מגיע לקצה הנגרר. רק כאשר שיא היניקה סביב האף הופכת לגבוהה מאוד בזווית התקפה גבוהה, עליית הלחץ התלולה כתוצאה ממסלול הזרימה שנותר מכריעה את האפשרויות של שכבת הגבול הסוערת, האוויר מואט לחלוטין והזרם נפרד. זוהי פרשה תת קולית לחלוטין.

אם הכנף נעה במהירות תת קולית גבוהה, היניקה שנוצרה עקמומיות מאיצה את הזרימה כך שהיא תגיע למהירות קולית. עכשיו קורה משהו מוזר: הזרימה העל-קולית מואצת עוד יותר כאשר הזרימה התת-קולית תאט. זה נגרם על ידי השינוי בצפיפות השולט במהירות קולית. לזרימה בלתי דחיסה (= איטית מאוד) יש צפיפות קבועה, וכל שינויי המהירות משפיעים על הלחץ. ב- Mach 1 שינויי הלחץ והצפיפות הם באותו גודל, ובזרימה העל-קולית שינויי הצפיפות שולטים. כעת יש לנו כיס אוויר קולי על המשטח העליון של הכנף שבו המהירות עולה והצפיפות פוחתת במורד הזרם, והאוויר התת-קולתי שמסביב רואה שינוי קטן בצפיפות. תמונה זו אמורה לתת לך מושג איך היא נראית:

כל הכנף נעה ב- Mach 0.68. השווה את הצבע הירוק במרחק מה מהכנף עם הסקאלה בצד שמאל, מה שמספק את מספר המאצ 'לכל גוון צבע. באף הנייר אתה רואה אזור כחול. זה המקום בו האוויר מאט - הוא נדחק יחד על ידי הכנף המתקרבת. כעת עקבו אחר הצבעים לאורך הצד העליון - הם הופכים במהירות לירוק, צהוב ואדום כאשר האוויר מואץ לאזור הלחץ הנמוך (זכרו, לחץ נמוך שווה למהירות גבוהה, כך שהאזור האדום ביותר הוא בעל מהירות הזרימה המקומית הגבוהה ביותר והלחץ הנמוך ביותר ). בזרימה תת קולית, שיא היניקה יהיה איפשהו בין 20% ל -30% מהאקורד, והצבעים לאט לאט ישתנו לצהוב וירוק אם תעבור הלאה במורד הזרם. כעת יש לנו זרימה על-קולית מקומית (הכל אדום יותר כתום בהיר הוא קולי כאן), ובמקום להאט לאט לאט האצה מואצת למספר מאך מקסימלי של 1.23 כמעט 60% מאורך האקורד.

זה לא יכול להימשך, ובשלב מסוים הכיס העל-קולי הזה קורס. זה קורה באופן מיידי בהלם, וכידוע, בצפיפות זעזועים ישרה עולה פתאום והמהירות פוחתת כך ש מספר המאך אחרי ההלם הוא ההפוך ממספר המאך לפני ההלם. בתמונה לעיל, אפקטים של שכבת הגבול יוצרים הלם למבדה, ששמו נובע מהאות היוונית שנראית כמו דפוס ההלם כאן. לאחר ההלם, שוב יש לך זרימה תת קולית ושכבת גבול עבה בהרבה שנעה לאט מאוד (צל כחול). זאת בשל המרת האנרגיה באמצעות ההלם, הממיר אנרגיה קינטית לחום. אבל הזרימה עדיין מחוברת - אפילו הלם זה לא גרם להפרדה.

אם עליית הלחץ הזו גדולה דיה, שכבת הגבול תיעצר באופן מיידי ואז הזרימה נפרדת. זה ההפרדה שנגרמה מההלם ששאלת עליו. למרבה הצער, התמונה למעלה היא הטובה ביותר שיכולתי למצוא, ואין לי תמונה עם זרימה נפרדת מאחורי ההלם. אבל זה עוזר להראות שמרכז הלחץ נע אחורה. זה גורם לרגע חזק למטה של ​​האף. כמו כן, עם מספרי מאך תת קוליים גבוהים יותר יציבות הכיוון יורדת. עכשיו עוד דברים מגעילים יכולים לקרות: מיקום ההלם עשוי להתקדם אחורה. זה משנה את גודל האזור העל-קולי וגורם לשינויים במעלית. בזנב אופקי זה יגרום גם לשינויים במגרש. אם תשנה מעט את תנוחת המעלית עם זעזוע כזה על הזנב האופקי, שינוי המעלית יכול להיות חמור ובכיוון ההפוך ממה שהיית מצפה. זה גורם לאובדן שליטה מוחלט, בדיוק כאשר אתה זקוק למשטחי הבקרה כדי לנטרל את השפעות המאך שהוזכרו לעיל. כמו כן, תנוחת ההלם עלולה להתנודד ולגרום לצליל זמזום, ואם למזלכם האמיתי, להתחבר לתדר עצמי אלסטי של המבנה שלכם, וכתוצאה מכך לרפרף. לא רק על משטחי הזנב, אלא גם על הכנף, המשפיעים גם על החללונים. עכשיו אתה יכול להתחיל לראות מה הפחיד את החלוצים הראשונים לטוס ליד מאך 1 ולמה הם דיברו על "מחסום קול".

אם אתה עף על-קוליים לחלוטין, האפקט הזה נעלם מכיוון שכעת ההלם עובר לקצה הנגרר ונשאר שם. עכשיו הכל שוב יהיה רגוע מכיוון שמיקום ההלם נשאר קבוע. השפעה זו נחוותה לראשונה ושרדה ב- 9 באפריל 1945 על ידי הנס גואידו מוטקה ב- Me-262, שטס לזמן קצר בצלילה באופן קולי לחלוטין. עם זאת, אפילו בזרימה על-קולית מלאה אפשרית, אך אז מכיוון שזרימת האוויר לא תתכופף יותר ממה שיכול להיגרם מאקום מוחלט. בזרימה היפרסונית השינויים בצפיפות הופכים להיות כה קשים עד שאפשר לכיסי "אוויר" שאינם מכילים שום אוויר, אלא ואקום. אבל זה יותר מקרה אקדמי, למעט כלי רכב חוזרים עם בסיס קהה ופונה לאחור.

מדוע זה קורה ב- Mach Speed? ... האם זה יכול לקרות במהירויות נמוכות יותר?

זה יכול לקרות גם במהירויות נמוכות יותר, זה תלוי ב איך הכנף מתוכננת ובמאפייני הנייר (פרופיל עובי camber).

במהירויות טרוניות (0.7 - 1.0 מאך) אתה יכול לקבל חלקים מהספינות באזור קולי, כלומר תהיה לך זעזוע מול (ואולי מתחת) לכנף שלך . אם גל ההלם חזק מספיק, הזרימה שמאחוריו תופרד (חלקית).

כאשר המטוס מגיע למאך 1 מובטחת נוכחות של הלם.

^{תמונה מ wiki}

עריכה

בתגובות עלו שאלות נוספות, אנסה לטפל בהן.

מדוע Shockwave מופיע?

תשובה קצרה: לחזור מזרימה על קולית לזרימה תת קולית. קשה לזרום את הזרימה העל-קולית ללא זעזוע, מכיוון שמולקולות האוויר אינן "יודעות" מה לפנינו. מהירות הקול היא גם מהירות שינויי הלחץ הקטנים, ולכן כל האותות על מה שמגיע לא יגיעו לאוויר לפני גל ההלם. האוויר זורם לאורכו, בלי להיות מודע למה שמגיע, עד שלא ניתן לשמור על דברים ולהשתנה במפץ.

כאשר גל ההלם מורחב כל כך עד לקרקע, זה נקרא Sonic boom: ראה את סעיף בום קולי ומחסום קול

ראה גם מאמר זה של נאס"א בנושא זעזועים רגילים.

בגלל חיכוך, למולקולות האוויר שליד הגוף אין מהירות ביחס למשטח הגופים. המולקולות קצת יותר רחוקות יוכלו לנוע, אבל בגלל החיכוך עם המולקולות המחוברות לגוף, הן יואטו. תופעות אלה נקראות שכבת גבול. בתנאים רגילים זו הדרך בה נוצר בערך מחצית גרירת הפרופיל. המחצית השנייה היא גרירת לחץ. בזרימה מופרדת גרירת החיכוך נעלמת, אך מכיוון שמסת האוויר המופרדת נמצאת בלחץ נמוך יותר מהלחץ הסטטי, ומכיוון שהיא יושבת על החלק הפונה לאחור של רדיד הנשימה, תרומת גרירת הלחץ שלה מסיבית.

מדוע גלי ההלם יצור מערבולת?

מכיוון שהוא אירוע אניסוטרופי, הוא כאוטי במהותו, הוא מגביר את האנטרופיה של מולקולות האוויר.

שינוי הטמפרטורה, הצפיפות, הלחץ והמהירות כה גדולים כמויות על גל ההלם (תלוי במהירות הזרימה העל-קולית, עם כמויות מדויקות הניתנות על ידי פתרון משוואות Rankine – Hugoniot) ובמרווח כה קטן לאין שיעור עד שהזרם במורד הזרם הופך לכאוטי ביותר ולא -למינרית.

האם זה יכול לקרות גם במהירויות נמוכות יותר (בטיסה ישרה ובמישור, כלומר לא תקוע)?

גל הלם יכול רק קורה אם יש לך זרימה קולית מעל הכנפיים. הפרדת זרימה מתרחשת בכל המהירויות. בסופו של דבר, כל הזרימה תיפרד בקצה הנגרר.

זה קורה במהירות מאצ'ית מכיוון שכך הכנף תעלה במהירות על גל הלחץ של זה כשהוא מנסה לחתוך את האוויר וכתוצאה מכך גל הלם כאשר האוויר מואט שוב ​​למהירויות תת קוליות, הלם זה נקרא הלם דחיסה מחדש.

גל ההלם הוא הגורם להפרדה. וכפי שאתה רואה זה יכול לקרות בנמוך מ 1 מאך. מהירות האוויר המינימלית בה מתרחשת זרימה על-קולית נקראת מספר מאצ 'קריטי. אבל המהירות בה הגרירה שנגרמה בעקבות גל ההלם הופכת משמעותית היא מספר מפרידות הגרר.