miniatura|alt=Onda de choque alrededor de una aeronave|Una onda de choque oblicua en el morro de un avión T-38 se hace visible mediante fotografía Schlieren Una onda de choque oblicuo es una onda de choque que, a diferencia de una onda de choque normal, está inclinada con respecto a la dirección del aire entrante. Se produce cuando un flujo supersónico se encuentra con una esquina que, en la práctica, hace que el flujo se doble sobre sí mismo y se comprima. Las líneas de corriente aguas arriba se desvían uniformemente tras la onda de choque. La forma más común de producir una onda de choque oblicua es colocar una cuña en un flujo supersónico y compresible. Al igual que una onda de choque normal, la onda de choque oblicua consiste en una región muy delgada a través de la cual se producen cambios casi discontinuos en las propiedades termodinámicas de un gas. Mientras que las direcciones del flujo aguas arriba y aguas abajo no cambian a través de un choque normal, son diferentes para el flujo a través de una onda de choque oblicua.

Siempre es posible convertir un choque oblicuo en un choque normal mediante una transformación de Galileo. Teoría de ondas miniatura|Un flujo supersónico choca contra una cuña y se desvía uniformemente, formando un choque oblicuo. miniatura|Este gráfico muestra el ángulo del choque oblicuo, β, en función del ángulo de la esquina, θ, para varias líneas con M constante 1. La línea roja separa las soluciones fuertes de las débiles. La línea azul representa el punto en el que el número de Mach aguas abajo alcanza la velocidad del sonido. El gráfico asume , lo cual es válido para un gas diatómico ideal.

Para un número de Mach dado, M1, y un ángulo de esquina, θ, se pueden calcular el ángulo de choque oblicuo, β, y el número de Mach aguas abajo, M2. A diferencia de lo que ocurre tras un choque normal, donde M2 debe ser siempre menor que 1, en un choque oblicuo M2 puede ser supersónico (onda de choque débil) o subsónico (onda de choque fuerte). Las soluciones débiles se observan a menudo en geometrías de flujo abiertas a la atmósfera (como en el exterior de un vehículo de vuelo). Las soluciones fuertes pueden observarse en geometrías confinadas (como el interior de la entrada de una tobera). Las soluciones fuertes son necesarias cuando el flujo debe adaptarse a la condición de alta presión aguas abajo. También se producen cambios discontinuos en la presión, la densidad y la temperatura, que aumentan aguas abajo de la onda de choque oblicua. La ecuación θ-β-M Utilizando la ecuación de continuidad y el hecho de que la componente de velocidad tangencial no cambia a través del choque, las relaciones trigonométricas conducen finalmente a la ecuación θ-β-M, que muestra θ como una función de M1, β y ɣ, donde ɣ es la relación de capacidad térmica.

Resulta más intuitivo resolver β como una función de M1 y θ, pero este enfoque es más complicado, y sus resultados suelen figurar en tablas o calcularse mediante un método numérico.

Ángulo de deflexión máximo En la ecuación θ-β-M, existe un ángulo máximo de la esquina, θMAX, para cualquier número de Mach aguas arriba. Cuando θ > θMAX, la onda de choque oblicua deja de estar adherida a la esquina y es sustituida por una onda de choque de proa desprendida. Un diagrama θ-β-M, habitual en la mayoría de los libros de texto sobre flujo compresible, muestra una serie de curvas que indican θ MAX para cada número de Mach. La relación θ-β-M producirá dos ángulos β para un θ y un M dados 1, llamándose «choque fuerte» al ángulo mayor y «choque débil» al menor. El choque débil se ve casi siempre experimentalmente.

El aumento de la presión, la densidad y la temperatura tras un choque oblicuo puede calcularse de la siguiente manera:

La ecuación M2 se resuelve de la siguiente manera, donde es el ángulo de desviación del flujo tras el choque:

donde . Aplicaciones de las ondas miniatura|Sistema de rampas de admisión del Concorde miniatura|F-14D Tomcat con tomas de aire en forma de cuña

Las ondas de choque oblicuas suelen ser preferibles en aplicaciones de ingeniería en comparación con las ondas de choque normales. Esto puede atribuirse al hecho de que el uso de una o una combinación de ondas de choque oblicuas da lugar a condiciones posteriores al choque más favorables (menor aumento de la entropía, menor pérdida de presión por estancamiento, etc.) en comparación con la utilización de una sola onda de choque normal. Véase un ejemplo de esta técnica en el diseño de las tomas de aire de los motores de aviones supersónicos o de las tomas supersónicas. Un tipo de estas tomas tiene forma de cuña para comprimir el flujo de aire hacia la cámara de combustión, minimizando al mismo tiempo las pérdidas termodinámicas. Las primeras tomas de aire de los motores a reacción de aviones supersónicos se diseñaron utilizando la compresión de un único choque normal, pero este enfoque limita el número Mach máximo alcanzable a aproximadamente 1,6. El Concorde (que voló por primera vez en 1969) utilizó tomas de aire en forma de cuña de geometría variable para alcanzar una velocidad máxima de Mach 2,2. Se utilizó un diseño similar en el F-14 Tomcat (el F-14A se entregó por primera vez en 1972) y alcanzó una velocidad máxima de Mach 2,34. Las ondas y el límite hipersónico A medida que el número de Mach del flujo a favor del viento se vuelve cada vez más hipersónico, las ecuaciones de la presión, la densidad y la temperatura tras la onda de choque oblicua alcanzan un límite matemático. Las relaciones entre la presión y la densidad pueden expresarse entonces como:

Para una aproximación perfecta del gas atmosférico utilizando γ = 1,4, el límite hipersónico para la relación de densidades es 6. Sin embargo, la disociación hipersónica post-choque de O2 y N2 en O y N reduce γ, lo que permite relaciones de densidades más elevadas en la naturaleza. La relación de temperaturas hipersónicas es:

Véase también Flujo compresible Interacción de ondas de choque Onda de choque en movimiento Polar de choque

Referencias

Enlaces externos NASA oblique shock wave calculator (Java applet) Supersonic wind tunnel test demonstration (Mach 2.5) with flat plate and wedge creating an oblique shock(Video)

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