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Le secret du nombre de Mach : comment mesurer le rapport entre la vitesse d'un fluide et la vitesse du son ?
Dans le monde de la dynamique des fluides, le nombre de Mach est une mesure importante sans unité avec sa propre méthode de calcul et sa propre signification. Le nombre de Mach doit son nom au physicien et philosophe autrichien Ernst Mach et représente le rapport entre la vitesse d'un fluide lorsqu'il traverse une limite et la vitesse locale du son. Cette valeur peut nous aider à comprendre les caractéristiques de l'écoulement des fluides. Le calcul et l'application du nombre de Mach sont particulièrement cruciaux dans les domaines de l'aviation et de l'ingénierie.
Le nombre de Mach représente le rapport entre la vitesse d'écoulement et la vitesse du son. Lorsque le nombre de Mach est égal à 1, la vitesse du fluide est exactement égale à la vitesse du son.
Calcul du nombre de Mach et sa signification
La formule de calcul du nombre de Mach est M = u / c, où u représente la vitesse locale du fluide et c représente la vitesse locale du fluide. Vitesse du son. Le rapport des deux fait du nombre de Mach un indicateur sans dimension avec une applicabilité universelle. En fonction du nombre de Mach, nous pouvons classer l'état du fluide en plusieurs catégories, telles que subsonique (M < 1), supersonique (M > 1) et supersonique (M ≈ 10).
Dans l'état subsonique, l'effet de compression du fluide est faible et des équations simplifiées de fluide incompressible sont souvent utilisées pour prédire son comportement.
Nombre de Mach et compressibilité des fluides
La taille du nombre de Mach affecte directement la compressibilité du fluide. À de faibles nombres de Mach, le fluide peut être considéré comme un écoulement incompressible, ce qui est très important pour la conception d'aéronefs et d'autres équipements mécaniques impliquant un écoulement à grande vitesse. À mesure que le nombre de Mach augmente, l’écoulement du fluide devient hautement compressible et des modèles mathématiques plus complexes doivent être utilisés pour l’analyse et la conception. En particulier dans la gamme supersonique, la prédiction du comportement de l’écoulement devient plus difficile. Lorsqu'un objet se déplace à des vitesses supersoniques, les ondes de choc générées affectent inévitablement le fluide environnant, provoquant de puissantes ondes de choc, qui sont à l'origine du bang sonique.
Application du nombre de Mach
Le nombre de Mach a des applications vastes et importantes, notamment dans l'aérospatiale. Pour un avion, le nombre de Mach affecte non seulement sa conception, mais également ses performances et son fonctionnement. Comprendre l’effet des changements du nombre de Mach sur le champ d’écoulement autour d’un avion peut aider les ingénieurs à réaliser de meilleures conceptions pour surmonter le mur du son. En outre, le nombre de Mach permet également de calculer d’autres systèmes fluides dans la conception technique, tels que la conception de buses et les contrôleurs de débit de gaz, qui impliquent tous le concept de nombre de Mach.
Lorsqu'un avion franchit le mur du son, il crée une énorme différence de pression du vent appelée onde de choc, qui provoque le bang sonique entendu lorsque l'avion dépasse la vitesse du son.
Écoulement de fluide à grande vitesse dans le canal
Lorsqu'un fluide traverse un canal, les changements dans le nombre de Mach affecteront les changements dans la vitesse d'écoulement. Dans le cas subsonique, le rétrécissement du canal entraînera une augmentation de la vitesse d'écoulement, tandis que cette relation est inversée lorsque l'écoulement entre dans le régime supersonique. À ce stade, l’élargissement du canal augmentera le débit. Pour obtenir un écoulement supersonique, les concepteurs doivent utiliser une buse convergente-divergente qui permet au fluide d'accélérer en douceur.
La constriction étroite permet au flux d'atteindre des vitesses soniques, tandis que l'expansion ultérieure continue d'accélérer le flux jusqu'à des vitesses supersoniques.
Méthodes de calcul du nombre de Mach
Dans les applications réelles, les instruments de vol calculent généralement le nombre de Mach en mesurant les différentiels de pression plutôt qu'en utilisant directement la température. L’utilisation de différentes mesures de pression pour estimer le nombre de Mach permet aux ingénieurs de comprendre rapidement l’état actuel de l’avion et d’ajuster les opérations pour garantir la sécurité.
ConclusionLe nombre de Mach est un indicateur du type d'écoulement du fluide et de ses caractéristiques. En comprenant et en calculant les nombres de Mach, nous pouvons non seulement concevoir des avions plus sûrs, mais également explorer davantage d’applications de flux à haut rendement. Vous êtes-vous déjà demandé comment la technologie future utilisera les nombres de Mach pour amener l’expérience de vol humaine à un niveau supérieur ?
