Cuerpo de Sears-Haack

El cuerpo de Sears-Haack es la forma de un sólido con la menor resistencia teórica en el flujo supersónico, para una longitud corporal determinada y un volumen dado. El desarrollo matemático supone que el flujo es supersónico, es decir, de pequeña perturbación o flujo linealizado, que se rige por la ecuación de Prandtl-Glauert. El desarrollo y la «forma» fueron publicadas independientemente por dos investigadores separados: Wolfgang Haack en 1941 y más tarde por William Sears en 1947.^[1]

La teoría indica que la resistencia aerodinámica es proporcional al cuadrado de la segunda derivada de la distribución del área. $D_{\text{wave}}\sim [S''(x)]^{2}$ (ver expresión completa a continuación), por lo que para una resistencia aerodinámica baja es necesario que $S(x)$ sea suave. Por lo tanto, el cuerpo de Sears-Haack tiene una en cada extremo y crece suavemente hasta un máximo y luego disminuye suavemente hacia el segundo punto.

Fórmulas útiles

El área de sección transversal de un cuerpo Sears-Haack es

S(x)={\frac {16V}{3L\pi }}[4x(1-x)]^{3/2}=\pi R_{\text{max}}^{2}[4x(1-x)]^{3/2},

el volumen de un cuerpo Sears-Haack es

V={\frac {3\pi ^{2}}{16}}R_{\text{max}}^{2}L,

el radio de un cuerpo Sears-Haack es

r(x)=R_{\text{max}}[4x(1-x)]^{3/4},

la derivada (gradiente) es

r'(x)=3R_{\text{max}}[4x(1-x)]^{-1/4}(1-2x),

la segunda derivada es

r''(x)=-3R_{\text{max}}\{[4x(1-x)]^{-5/4}(1-2x)^{2}+2[4x(1-x)]^{-1/4}\},

donde:


Símbolo	Nombre
$x$	Relación entre la distancia desde la nariz hasta la cola, es decir, la longitud total del cuerpo, relación que está siempre entre 0 y 1
$r$	Radio local
$R_{\text{max}}$	Radio en su máximo (se produce en el centro de la forma)
$V$	Volumen
$L$	Longitud

De la «teoría de los cuerpos delgado» se tiene que:^{[cita requerida]}

D_{\text{wave}}=-{\frac {1}{4\pi }}\rho U^{2}\int _{0}^{\ell }\int _{0}^{\ell }S''(x_{1})S''(x_{2})\ln |x_{1}-x_{2}|\mathrm {d} x_{1}\mathrm {d} x_{2},

y alternativamente:

D_{\text{wave}}=-{\frac {1}{2\pi }}\rho U^{2}\int _{0}^{\ell }S''(x)\mathrm {d} x\int _{0}^{x}S''(x_{1})\ln(x-x_{1})\mathrm {d} x_{1}.

Estas fórmulas se pueden combinar para obtener lo siguiente:

D_{\text{wave}}={\frac {64V^{2}}{\pi L^{4}}}\rho U^{2}={\frac {9\pi ^{3}R_{max}^{4}}{4L^{2}}}\rho U^{2},

C_{D_{\text{wave}}}={\frac {24V}{L^{3}}}={\frac {9\pi ^{2}R_{max}^{2}}{2L^{2}}},

donde:


Símbolo	Nombre
$D_{\text{wave}}$	Resistencia aerodinámica
$\rho$	Densidad del fluido
$U$	Velocidad

Generalización de R.T. Jones

La consecución de la forma del cuerpo de Sears-Haack es correcta solo en el límite de un «cuerpo esbelto». La teoría se ha generalizado a formas delgadas pero «no axisimétricas» —no simétricas respecto al eje— por Robert T. Jones en NACA Report 1284.^[2] En esta expresión, el área $S(x)$ se define como el cono de Mach cuyo vértice está en un lugar $x$ , en vez de en el $x={\text{constant}}$ del avión como lo asumieron Sears y Haack. Por lo tanto, la teoría de Jones hace que sea aplicable a formas más complejas como aeronaves supersónicas como un cuerpo completo.

Regla de área

Un concepto relacionado superficialmente es la regla de área de Whitcomb , que establece que el arrastre de la onda debido al volumen en el flujo transónico depende principalmente de la distribución del área total de la sección transversal, y para el arrastre de onda baja esta distribución debe ser uniforme. Una idea errónea común es que el cuerpo de Sears-Haack tiene la distribución de área ideal de acuerdo con la regla de área, pero esto no es correcto. La ecuación de Prandtl-Glauert , que es el punto de partida en la derivación de la forma del cuerpo de Sears-Haack, no es válida en el flujo transónico, que es donde se aplica la regla de área .

Véase también

Referencias

↑ Palaniappan, Karthik (2004). Bodies having Minimum Pressure Drag in Supersonic Flow – Investigating Nonlinear Effects. 22nd Applied Aerodynamics Conference and Exhibit. Antony Jameson. Consultado el 16 de septiembre de 2010.
↑ NACA Report 1284, Theory of Wing-Body Drag at Supersonic Speeds, by Robert T. Jones, 8 July 1953

Enlaces externos

Datos: Q7441805

[1] Palaniappan, Karthik (2004). Bodies having Minimum Pressure Drag in Supersonic Flow – Investigating Nonlinear Effects. 22nd Applied Aerodynamics Conference and Exhibit. Antony Jameson. Consultado el 16 de septiembre de 2010.

[2] NACA Report 1284, Theory of Wing-Body Drag at Supersonic Speeds, by Robert T. Jones, 8 July 1953

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[2]