background image

 

 

FLIGHT MECHANICS 

Exercise Problems

CHAPTER 4

background image

 

 

Problem 4.1

• Consider the incompressible flow of 

water through a divergent duct. The 
inlet velocity and area are 5 ft/s and 
10 ft

2

, respectively. If the exit area is 

4 times the inlet area, calculate the 
water flow velocity at the exit.

background image

 

 

Solution 4.1

s

ft

A

A

V

V

V

A

V

A

m

/

25

.

1

4

1

5

2

1

1

2

2

2

2

1

1

1

background image

 

 

Problem 4.2

•  4.2  In the above problem calculate 

the pressure difference between the 
exit and the inlet. The density of 
water is 62.4 Ibm/ft

3

.

background image

 

 

Solution 4.2

2

2

2

1

2

3

2

2

2

1

1

2

/

7

.

22

2

25

.

1

5

94

.

1

/

94

.

1

2

.

32

4

.

62

2

0

2

1

2

1

ft

lb

p

p

ft

slug

V

V

p

p

VdV

dp

v

v

p

p









background image

 

 

Problem 4.3

• Consider an airplane flying with a 

velocity of 60 m/s at a standard 
altitude of 3 km.   At a point on the 
wing, the airflow velocity is 70 m/s. 
Calculate the pressure at this point. 
Assume incompressible flow.

background image

 

 

Solution 4.3

H.W.

background image

 

 

Problem 4.4

• An instrument used to measure the airspeed 

on many early low-speed airplanes, principally 

during 1919 to 1930, was the venturi tube. 

This simple device is a convergent - divergent 

duct  (The front section's cross-sectional area 

A decreases in the flow direction, and the back 

section's cross-sectional area increases in the 

flow direction.  Somewhere in between the 

inlet and exit of the duct,  there is a minimum 

area, called the throat.) Let A

1

 and A

2

 denote 

the inlet and throat areas, respectively. Let p

1

 

and  p

2

 be the pressures at the inlet and 

throat, respectively.

background image

 

 

The venturi tube is mounted  at a specific 

location on the airplane (generally on the 

wing or near the front of the fuselage), 

where the inlet velocity V, is essentially the 

same as the freestream velocity  that is, 

the velocity of the airplane through the air. 

With a knowledge of the area ratio A

2

/A

1

 (a 

fixed design feature) and a measurement 
of the pressure difference p

1

- p

2

 

the 

airplane's velocity can be determined. For 
example, assume  A

2

/A

1

 =1/4 and p

1

- p

2

 

80 Ib/ft

2

. If the airplane is flying at standard 

sea level, what is its velocity?

background image

 

 

Solution 4.4

H.W.

background image

 

 

Problem 4.5

  Consider the flow of air through a 

convergent-divergent duct, such as the 
venturi described in Prob. 4.4. The inlet, 
throat, and exit areas are 3, 1.5, and 2 m

2

 

respectively. The inlet and exit pressures 
are 1.02 x 10

5

 and 1.00 x 10

5

 N/m

2

respectively.  Calculate the flow velocity 
at the throat. Assume incompressible 
flow with standard sea-level density.

background image

 

 

Solution 4.5

s

m

V

A

A

V

A

A

p

p

V

A

A

V

V

V

p

V

p

/

22

.

102

1

2

3

225

.

1

10

)

00

.

1

02

.

1

(

2

5

.

1

3

1

)

(

2

2

2

2

5

1

2

1

2

2

3

1

3

1

1

3

1

1

3

2

3

3

2

1

1







Note that only a 
pressure change of 
0.02 atm produce 
this high speed

background image

 

 

Problem 4.6

An airplane is flying at a velocity of 130 
mi/h at a standard altitude of 5000 ft. At 
a point on the wing, the pressure is 
1750.0 Ib/ft

2

. Calculate the velocity at 

that point assuming incompressible flow.

background image

 

 

Solution 4.6

s

ft

V

V

p

p

V

V

p

V

p

s

ft

mph

V

/

8

.

216

7

.

190

0020482

.

0

1750

9

.

1760

2

2

/

7

.

197

60

88

130

130

2

4

2

1

2

1

2

2

2

2

2

2

1

1

1

background image

 

 

Problem 4.7

Imagine that you have designed a low-speed 
airplane with a maximum velocity at sea level 
of 90 m/s. For your airspeed instrument, you 
plan to use a venturi tube with a 1.3 : 1 area 
ratio. Inside the cockpit is an airspeed 
indicator—a dial that is connected to a 
pressure gauge sensing the venturi tube 
pressure difference p

1

- p

2

 

and properly 

calibrated in terms of velocity. What is the 
maximum pressure difference you would 
expect the gauge to experience?

background image

 

 

Solution 4.7

 

2

2

2

2

1

2

2

1

2

1

2

1

2

1

1

2

2

2

2

2

1

1

/

3423

1

3

.

1

2

90

225

.

1

1

2

2

2

m

N

p

p

A

A

V

p

p

A

A

V

V

V

p

V

p







Maximum when 
maximum velocity 90 m/s 
and sea level density; 
however better design for 
over speed during diving

background image

 

 

Problem 4.8

A supersonic nozzle is also a 

convergent-divergent duct, which is fed 

by a large reservoir at the inlet to the 

nozzle. In the reservoir of the nozzle, the 

pressure and temperature are 10 atm 

and 300 K, respectively. At the nozzle 

exit, the pressure is 1 atm. Calculate the 

temperature and density of the flow at 

the exit. Assume the flow is isentropic 

and, of course, compressible.

background image

 

 

Solution 4.8

H.W.

background image

 

 

Problem 4.9

Derive an expression for the exit 
velocity of a supersonic nozzle in 
terms of the pressure ratio between 
the reservoir and exit p

o

/p

e

 and the 

reservoir temperature To.

background image

 

 

Solution 4.9









1

0

e

0

1

0

e

0

e

0

2

2

2

0

1

2

)

(

2

2

1

2

1

2

1

p

p

T

c

V

p

p

T

T

T

T

c

V

V

h

h

V

T

c

V

T

c

p

e

e

p

e

e

e

o

e

e

p

o

p

Note that the velocity 
increases as T

o

 goes 

up or pressure ratio 
goes down; used for 
rocket engine 
performance analysis

background image

 

 

Problem 4.10

Consider an airplane flying at a standard 

altitude of 5 km with a velocity of 270 

m/s. At a point on the wing of the 

airplane, the velocity is 330 m/s. 

Calculate the pressure    at this point. 

background image

 

 

Solution 4.10

H.W.

background image

 

 

Problem 4.11

The mass flow of air through a 
supersonic nozzle is 1.5 Ibm/s. The 
exit velocity is 1500 ft/s, and the 
reservoir temperature and pressure 
are 1000°R and 7 atm, respectively.  
Calculate the area of the nozzle exit. 
For air, Cp = 6000 ft • lb/(slug)(°R).

background image

 

 

Solution 4.11

 







2

1

4

.

1

1

1

1

o

e

0

0

0

0

2

2

0

2

0

0061

.

0

1500

0051

.

0

2

.

32

5

.

1

2

.

32

5

.

1

0051

.

0

1000

5

.

812

0086

.

0

0086

.

0

1000

1716

2116

7

5

.

812

6000

2

1500

1000

2

2

1

ft

V

m

A

V

A

m

T

T

RT

p

R

c

V

T

T

V

T

c

T

c

e

e

e

e

e

e

e

p

e

e

e

e

p

p





Energy eq.

Continuity 
eq.

No shock wave, 
isentropic 
relationship

background image

 

 

Problem 4.12

A supersonic transport is flying at a 
velocity of 1500 mi/h at a standard 
altitude of  50,000 ft. The temperature 
at a point in the flow over the wing is 
793.32°R. Calculate the flow velocity at 
that point.

background image

 

 

Solution 4.12



s

ft

V

V

s

ft

s

ft

h

mi

V

V

T

T

c

V

V

T

c

V

T

c

p

p

p

/

3

.

6

2200

32

.

7993

99

.

389

6000

2

/

2200

/

60

88

1500

/

1500

2

2

1

2

1

2

2

2

2

1

2

1

2

1

2

2

2

2

2

2

1

1

Very low value, almost a stagnant point

background image

 

 

Problem 4.13

For the airplane in Prob. 4.12, the total cross-
sectional area of the inlet to the jet engines is 
20 ft

2

. Assume that the flow properties of the 

air entering the inlet are those of the 
freestream ahead of the airplane. Fuel is 
injected inside the engine at a rate of 0.05 Ib 
of fuel for every pound of air flowing through 
the engine (i.e., the fuel-air ratio by mass is 
0.05).  Calculate the mass flow (in slugs/per 
second) that comes out the exit of the 
engine.

background image

 

 

Solution 4.13

H.W.

background image

 

 

Problem 4.14

Calculate the Mach number at the 
exit of the nozzle in Prob. 4.11. 

background image

 

 

Solution 4.14

 



07

.

1

1397

1500

/

1397

5

.

812

1716

4

.

1

5

.

812

/

1500

e

e

a

V

M

s

ft

RT

a

R

T

s

ft

V

e

e

e

e

e

background image

 

 

Problem 4.15

A Boeing 747 is cruising at a velocity 
of 250 m/s at a standard altitude of 
13 km. What is its Mach number?

background image

 

 

Solution 4.15

H.W.

background image

 

 

Problem 4.16

A high-speed missile is traveling at 

Mach 3 at standard sea level. What 
is its velocity   in miles per hour?

background image

 

 

Solution 4.16

H.W.

background image

 

 

Problem 4.17

Calculate the flight Mach number for the 
supersonic transport in Prob. 4.12.            

background image

 

 

Solution 4.17

 



27

.

2

94

.

967

2200

/

94

.

967

99

.

389

1716

4

.

1

/

2200

a

V

M

s

ft

RT

a

s

ft

V

background image

 

 

Problem 4.18

Consider a low-speed subsonic wind 

tunnel with a nozzle contraction ratio of 

1 : 20. One side of a mercury 

manometer is connected to the settling 

chamber, and the other side to the test 

section.  The pressure and temperature 

in the test section are 1 atm and 300 K, 

respectively. What is the height 

difference between the two columns of 

mercury when the test section velocity is 

80 m/s?

background image

 

 

Solution 4.18

 

cm

m

A

A

V

h

h

h

p

p

A

A

V

p

p

m

kg

RT

p

8

.

2

028

.

0

20

1

1

2

80

10

*

33

.

1

173

.

1

1

2

10

*

33

.

1

1

2

/

173

.

1

300

287

10

*

01

.

1

2

2

5

2

1

2

2

2

5

2

1

2

1

2

2

2

2

1

3

5













Manometer reading

background image

 

 

Problem 4.19

We wish to operate a low-speed subsonic wind 

tunnel so that the flow in the test section has a 

velocity of 200 mi/h at standard sea-level 

conditions. Consider two different            types of 

wind tunnels: (a) a nozzle and a constant-area test 

section, where the flow  at the exit of the test 

section simply dumps out to the surrounding 

atmosphere, that            is, there is no diffuser, and 

(b) a conventional arrangement of nozzle, test 

section, and diffuser, where the flow at the exit of 

the diffuser dumps out to the surrounding 

atmosphere. For both wind tunnels (a) and (b) 

calculate the pressure differences  across the entire 

wind tunnel required to operate them so as to have 

the given flow conditions in the test section.

background image

 

 

 For tunnel (a) the cross-sectional area 

of the entrance is 20 ft

2

, and the cross-

sectional area of the test section is 4 

ft

2

. For tunnel (b) a diffuser is added to 

(a) with a diffuser area of 18 ft

2

.  After 

completing your calculations, examine 

and compare your answers for tunnels 

(a) and (b). Which requires the smaller 

overall pressure difference? What does 

this say about the value of a diffuser     

        on a subsonic wind tunnel?

background image

 

 

Solution 4.19 (a)

2

2

2

2

1

2

1

2

2

2

2

1

1

2

2

1

2

2

2

2

1

1

/

15

.

98

20

4

1

2

3

.

293

002377

.

0

1

2

2

2

ft

lb

p

p

A

A

V

p

p

A

A

V

V

V

p

V

p







background image

 

 

Solution 4.19 (b)

2

2

2

2

2

1

2

1

2

2

3

2

2

2

3

1

3

2

2

3

1

2

2

1

2

3

3

2

1

1

/

959

.

0

20

4

18

4

2

3

.

293

002377

.

0

2

    

,

2

2

ft

lb

p

p

A

A

A

A

V

p

p

A

A

V

V

A

A

V

V

V

p

V

p











Economical to use diffuser (running 
compressor or vacuum pump)

background image

 

 

Problem 4.20

A Pitot tube is mounted in the test 

section of a low-speed subsonic wind 

tunnel. The flow in the test section 

has a velocity, static pressure, and 

temperature of 150 mi/h, 1 atm, and 

70°F, respectively. Calculate the 

pressure measured by the Pitot tube.

background image

 

 

Solution 4.20



 

2

2

0

2

0

2

0

3

/

2172

220

2

00233

.

0

2116

60

88

*

150

2

00233

.

0

2116

2

/

00233

.

0

460

70

1716

2116

ft

lb

p

p

V

p

p

ft

slug

RT

p

background image

 

 

Problem 4.21

The altimeter on a low-speed Piper 
Aztec reads 8000 ft. A Pitot tube 
mounted on the              wing tip 
measures a pressure of 1650 Ib/ft

2

. If 

the outside air temperature is 500°R, 
 what is the true velocity of the 
airplane? What is the equivalent 
airspeed?

background image

 

 

Solution 4.21

H.W.

background image

 

 

Problem 4.22

The altimeter on a low-speed 
airplane reads 2 km. The airspeed 
indicator reads 50 m/s. If the outside 
air temperature is 280 K, what is the 
true velocity of the airplane?

background image

 

 

 

s

m

V

V

V

m

kg

RT

p

true

eq

true

/

56

989

.

0

225

.

1

50

/

989

.

0

280

287

10

*

95

.

7

0

3

4

Solution 4.22

background image

 

 

Problem 4.23

A Pitot tube is mounted in the test 
section of a high-speed subsonic 
wind tunnel. The pressure and 
temperature of the airflow are 1 atm 
and 270 K, respectively. If the flow  
velocity is 250 m/s, what is the 
pressure measured by the Pitot tube?

background image

 

 

Solution 4.23

5

5

0

1

4

.

1

4

.

1

2

1

2

0

10

*

48

.

1

10

*

01

.

1

*

47

.

1

47

.

1

47

.

1

2

76

.

0

)

1

4

.

1

(

1

2

)

1

(

1

76

.

0

329

250

/

329

270

*

287

*

4

.

1









p

p

M

p

p

a

V

M

s

m

RT

a

background image

 

 

Problem 4.24

A high-speed subsonic Boeing 777 

airliner is flying at a pressure 

altitude of 12 km.  A Pitot tube on 

the vertical tail measures a pressure 

of 2.96 x 10

4

 N/m

2

. At what Mach 

number is the airplane flying?

background image

 

 

Solution 4.24

801

.

0

N/m

 

10

*

94

.

1

p

 

km,

 

12

 

altitude

at 

 

note;

1

10

*

94

.

1

10

*

96

.

2

1

4

.

1

2

1

1

2

10

*

94

.

1

1

2

4

4

.

1

1

4

.

1

4

4

1

1

0

2

1

4









M

p

p

M

p

background image

 

 

Problem 4.25

  A high-speed subsonic airplane is flying 

at Mach 0.65. A Pitot tube on the wing 
tip              measures a pressure of 2339 
Ib/ft

2

. What is the altitude reading on the 

altimeter?

background image

 

 

Solution 4.25

1761

328

.

1

2339

328

.

1

328

.

1

2

65

.

0

)

1

4

.

1

(

1

2

)

1

(

1

0

1

4

.

1

4

.

1

2

1

2

0









p

p

M

p

p

Appendix B, pressure altitude reads 5000 ft

background image

 

 

Problem 4.26

A high-performance F-16 fighter is 
flying at Mach 0.96 at sea level. What is 
the air               temperature at the 
stagnation point at the leading edge of 
the wing?

background image

 

 

Solution 4.26

H.W.

background image

 

 

Problem 4.27

An airplane is flying at a pressure 
altitude of 10 km with a velocity of 596 
m/s.              The outside air 
temperature is 220 K. What is the 
pressure measured by a Pitot tube 
mounted on the nose of the airplane?

background image

 

 

Solution 4.27

2

5

4

02

4

1

2

1

4

.

1

4

.

1

2

2

2

2

1

1

2

1

2

1

2

1

02

1

1

1

1

/

10

*

49

.

1

10

*

65

.

2

*

64

.

5

10

*

65

.

2

  

64

.

5

1

4

.

1

2

*

4

.

1

*

2

4

.

1

1

)

1

4

.

1

(

2

2

*

4

.

1

*

4

2

)

1

4

.

1

(

1

2

1

)

1

(

2

4

)

1

(

0

.

2

297

596

/

297

220

*

287

*

4

.

1

m

N

p

p

as

M

M

M

p

p

a

V

M

s

m

RT

a









Use Rayleigh Pitot tube formula

background image

 

 

Problem 4.28

The dynamic pressure is defined as 

q = 0.5V

2

. For high-speed flows, 

where Mach number is used 

frequently, it is convenient to 

express q in terms of pressure p and 

Mach number M rather than and V. 

Derive an equation for q = q(p,M).

background image

 

 

Solution 4.28

 

2

2

2

2

1

2

2

2

2

2

2

2

2

2

1

2

1

M

p

a

V

p

V

p

p

q

p

c

d

c

d

d

dp

a

V

p

p

V

p

p

V

q













so

as

background image

 

 

Problem 4.29

After completing its mission in orbit 

around the earth, the Space Shuttle 

enters the earth's atmosphere at very 

high Mach number and, under the 

influence of aerodynamic drag, slows as 

it penetrates more deeply into the 

atmosphere. (These matters are 

discussed in Chap. 8.) During its 

atmospheric entry, assume that the 

shuttle is flying at Mach number M 

corresponding to the altitudes h:

background image

 

 

Calculate the corresponding values of the 

freestream dynamic pressure at each one 

of these flight path points. Suggestion: 

Use the result from Prob. 4.28. Examine 

and comment on the variation of q

 as 

the shuttle enters the atmosphere.

h, 

km

60

50

40

30

20

M

17

9.5

5.5

3

1

background image

 

 

Solution 4.29

2

2

M

p

q

h, km

60

50

40

30

20

p

25.6

87.9

299.8

1.19*10

3

5.53*1

0

3

M

17

9.5

5.5

3

1

q

5.2*10

3

5.6*10

3

6.3*10

3

7.5*10

3

3.9*10

3

background image

 

 

Problem 4.30

Consider a Mach 2 airstream at 
standard sea-level conditions. 
Calculate the total pressure of this 
flow. Compare this result with (a) the 
stagnation pressure that would exist 
at the nose of a blunt body in the 
flow and (b) the erroneous result 
given by Bernoulli's equation, which 
of course does not apply here.

background image

 

 

Solution 4.30



16560

2116

824

.

7

824

.

7

824

.

7

2

2

)

1

4

.

1

(

1

2

)

1

(

1

0

1

4

.

1

4

.

1

2

1

2

0









p

p

M

p

p

Total pressure when the flow is isentropically stopped (true 
for supersonic and subsonic)

2

4

02

2

1

4

.

1

4

.

1

2

2

2

2

1

1

2

1

2

1

2

1

02

/

10

*

193

.

1

116

.

2

*

64

.

5

64

.

5

1

4

.

1

2

*

4

.

1

*

2

4

.

1

1

)

1

4

.

1

(

2

2

*

4

.

1

*

4

2

)

1

4

.

1

(

1

2

1

)

1

(

2

4

)

1

(

ft

lb

p

M

M

M

p

p









But there must be a shockwave at the nose (at the 
stagnation point)

background image

 

 

2

4

2

0

2

2

0

/

10

*

804

.

0

2

*

116

.

2

*

2

4

.

1

116

.

2

2

2

ft

lb

p

M

p

p

V

p

p

If Bernoulli’s equation is used accidentally

51% error

background image

 

 

Problem 4.31

Consider the flow of air through a 
supersonic nozzle. The reservoir 
pressure and temperature are 5 atm 
and 500 K, respectively. If the Mach 
number at the nozzle exit is 3, 
calculate the exit pressure, 
temperature, and density.

background image

 

 

Solution 4.31



3

4

0

0

0

1

2

0

4

1

4

.

1

4

.

1

2

5

1

2

0

/

267

.

0

6

.

178

287

10

*

37

.

1

6

.

178

357

.

0

*

500

2

)

1

(

1

10

*

37

.

1

2

3

)

1

4

.

1

(

1

10

*

01

.

1

*

5

2

)

1

(

1

m

kg

RT

p

K

M

T

T

M

p

p

e

e

e

e













background image

 

 

Problem 4.32

• Consider a supersonic nozzle across 

which the pressure ratio is p

e

/p

o

 = 

0.2. Calculate the ratio of exit area 
to throat area.

background image

 

 

Solution 4.32

 

35

.

1

71

.

1

2

1

4

.

1

1

1

4

.

1

2

71

.

1

1

2

1

1

1

2

1

71

.

1

 

92

.

2

1

2

.

0

5

1

)

1

(

2

2

)

1

(

1

1

4

.

1

1

4

.

1

2

2

1

1

2

2

286

.

0

1

0

2

1

2

0









e

e

t

e

e

e

e

e

e

M

M

A

A

M

p

p

M

M

p

p

background image

 

 

Problem 4.33

• Consider the expansion of air through a 

convergent-divergent supersonic nozzle. 
The Mach number varies from essentially 
zero in the reservoir to Mach 2.0 at the exit. 
Plot on graph paper the variation of the 
ratio of dynamic pressure to total pressure 
as a function of Mach number; that is, plot 
q/ p

o

 versus M from M = 0 to M = 2.0.

background image

 

 

Solution 4.33

5

.

3

2

2

1

2

2

2

2

2

2

2

2

.

0

1

7

.

0

2

1

1

2

2

2

2

2

1









M

M

p

q

M

M

p

p

M

p

q

M

p

a

V

p

V

q

The graph shows that the local 
dynamic pressure has a peak value 
at M=1.4

background image

 

 

Problem 4.34

The wing of the Fairchild Republic A-10A 

twin-jet close-support airplane is 

approximately rectangular with a wingspan 

(the length perpendicular to the flow 

direction) of 17.5 m and a chord (the length 

parallel to the flow direction) of 3 m. The 

airplane is flying at standard sea level with 

a velocity of 200 m/s. If the flow is 

considered to be completely laminar, 

calculate the boundary layer thickness at 

the trailing edge and the total skin friction 

drag. Assume the wing is approximated by 

a flat plate. Assume incompressible flow.

background image

 

 

Solution 4.34

H.W.

background image

 

 

Problem 4.35

In Prob. 4.34, assume the flow is 
completely turbulent. Calculate the 
boundary layer  thickness at the 
trailing edge and the total skin friction 
drag. Compare these turbulent results 
with the above laminar results.

background image

 

 

Solution 4.35

N

N

D

bottom

and 

top

N

SC

q

D

C

cm

m

L

f

f

f

L

f

lar

turb

L

5660

2830

*

2

 

  

2830

0022

.

0

*

5

.

17

*

3

*

10

*

45

.

2

0022

.

0

10

*

10

.

4

0074

.

0

Re

0074

.

0

75

.

13

24

.

0

3

.

3

3

.

3

033

.

0

10

*

10

.

4

3

*

37

.

0

Re

37

.

0

4

2

.

0

7

2

.

0

2

.

0

7

2

.

0

10.5 times larger than laminar 
flow assumption

background image

 

 

Problem 4.36

• If the critical Reynolds number for 

transition is 10

6

, calculate the skin 

friction drag for the wing in Prob. 4.34.

Laminar Flow 
A
Turbulent Flow B

X

cr

background image

 

 

Solution 4.36

 

N

D

m

m

S

m

N

V

q

S

q

S

q

SC

q

D

m

V

x

x

V

turb

f

cr

f

turb

f

cr

cr

cr

cr

146

5

.

17

*

10

*

3

.

7

/

10

*

45

.

2

200

*

225

.

1

2

1

2

1

10

074

.

0

Re

074

.

0

10

*

3

.

7

200

*

225

.

1

10

*

7894

.

1

*

10

Re

Re

2

2

4

2

2

2

.

0

6

2

.

0

2

5

6

Drag of one side

Calculate 
drag force if 
the laminar 
flow portion 
A were 
turbulent 
flow

background image

 

 

  



N

N

N

D

N

S

q

SC

q

D

N

D

D

D

N

D

f

cr

f

A

f

A

f

total

f

B

f

turbulent

total

f

turb

5452

2684

42

42

5

.

17

*

10

*

3

.

7

10

*

45

.

2

10

135

Re

1328

2684

146

2830

2830

2

4

2

.

0

6

5

.

0

  

laminar

On the wing, it is mostly turbulent 
flow

background image

 

 

Problem 4.37

  Let us reflect back to the fundamental 

equations of fluid motion discussed in the 
early sections of this chapter.  Sometimes 
these equations were expressed in terms of 
differential equations, but for the most pan 
we obtained algebraic relations by integrating 
the differential equations. However, it is 
useful to think of the differential forms as 
relations that govern the change in flowfield 
variables in an infinitesimally small region 
around a point in the flow. 

background image

 

 

 (a) Consider a point in an inviscid flow, 

where the local density is 1.1 kg/m

3

. As 

a fluid element sweeps through this 

point, it is experiencing a spatial change 

in velocity of two percent per millimeter. 

Calculate the corresponding spatial 

change in pressure per millimeter at this 

point if the velocity at the point is 100 

m/sec. (b) Repeat the calculation for the 

case when the velocity at  the point is 

1000 m/sec. What can you conclude by 

comparing your results for the low-

speed flow in part (a) with the results for 

the high-speed flow part (b).

background image

 

 

Solution 4.37

 

 

 

mm

m

N

ds

dp

mm

m

N

ds

dp

mm

ds

V

dV

ds

V

dV

V

ds

dV

V

ds

dp

VdV

dp

.

/

22000

02

.

0

1000

1

.

1

.

/

220

02

.

0

100

1

.

1

/

02

.

0

2

2

2

2

2

It requires a much larger pressure gradient 
in a high-speed flow

background image

 

 

Problem 4.38

The type of calculation in Problem 4.3 is a 

classic one for low-speed, incompressible 

flow, i.e., given the freestream pressure and 

velocity, and the velocity at some other 

point in the flow, calculate the pressure at 

that point. In a high-speed compressible 

flow, Mach number is more fundamental 

than velocity. Consider an airplane flying at 

Mach 0.7 at a standard altitude of 3 km. At 

a point on the wing, the airflow Mach       

number is 1.1. Calculate the pressure at this 

point. Assume an isentropic flow.

background image

 

 

Solution 4.38

4

4

0

0

1

4

.

1

4

.

1

2

1

2

0

1

4

.

1

4

.

1

2

1

2

0

10

*

555

.

4

10

*

0121

.

7

*

65

.

0

135

.

2

387

.

1

135

.

2

2

1

.

1

)

1

4

.

1

(

1

2

)

1

(

1

387

.

1

2

7

.

0

)

1

4

.

1

(

1

2

)

1

(

1

























p

p

p

p

p

p

p

M

p

p

M

p

p

Pressure at 3 km 
altitude

background image

 

 

Problem 4.39

• Consider an airplane flying at a 

standard altitude of 25,000 ft at a 
velocity of 800 ft/sec. To experience 
the same dynamic pressure at sea 
level, how fast must the airplane be 
flying?

background image

 

 

Solution 4.39

s

ft

V

V

V

e

e

/

8

.

535

10

*

3769

.

2

10

*

0663

.

1

800

3

3

0

background image

 

 

Problem 4.40

In Section 4.9, we defined hypersonic 

flow as that flow where the Mach number 

is five        or greater. Wind tunnels with a 

test section Mach number of five or 

greater are called        hypersonic wind 

tunnels. From Eq. (4.88), the exit-to-

throat area ratio for supersonic        exit 

Mach numbers increases as the exit 

Mach number increases.  For hypersonic   

     Mach numbers, the exit-to-throat ratio 

becomes extremely large, so hypersonic 

wind tunnels are designed with long, 

high-expansion ratio nozzles. 

background image

 

 

In this and the following problems, let us 

examine some special characteristics of 

hypersonic wind tunnels. Assume we wish 

to design a Mach 10 hypersonic wind 

tunnel using air as the test medium. We 

want the static pressure and temperature 

in the test stream to be that for a       

standard altitude of 55 km. Calculate: (a) 

the exit-to-throat area ratio, (b) the 

required reservoir pressure (in atm), and 

(c) the required reservoir temperature. 

Examine these results. What do they tell 

you about the special (and sometimes 

severe) operating requirements for a 

hypersonic wind tunnel.

background image

 

 

Solution 4.40

K

M

T

T

atm

p

M

p

p

M

M

A

A

e

e

o

o

e

e

o

e

e

t

e

5791

2

10

)

1

(

1

78

.

275

2

)

1

(

1

\

3

.

20

10

*

053

.

2

373

.

48

10

*

224

.

4

10

*

224

.

4

2

10

)

1

4

.

1

(

1

2

)

1

(

1

9

.

535

10

2

1

4

.

1

1

1

4

.

1

2

10

1

2

1

1

1

2

1

2

2

6

4

4

5

.

3

2

1

2

1

4

.

1

1

4

.

1

2

2

1

1

2

2









The surface of the sun is about 6000k; 
sacrifice accuracy because of temperature

background image

 

 

Problem 4.41

•  Calculate the exit velocity of the 

hypersonic tunnel in Problem 4.40.

background image

 

 

Solution 4.41

 



 

s

m

a

M

V

s

m

RT

a

e

e

e

e

e

/

3329

9

.

332

10

/

9

.

332

78

.

275

287

4

.

1

background image

 

 

Problem 4.42

Let us double the exit Mach number of 

the tunnel in Problem 4.40 simply by 

adding a longer nozzle section with the 

requisite expansion ratio. Keep the 

reservoir properties the same as those 

in Problem 4.40. Then we have a Mach 

20 wind tunnel, with test section 

pressure and temperature considerably 

lower than in Problem 4.40, i.e., the test 

section flow no longer corresponds to 

conditions at a standard altitude of 55 

km. Be that as it may, we have at least 

doubled the Mach number of the tunnel.

background image

 

 

• Calculate:  (a) the exit-to-throat area 

ratio of the Mach 20 nozzle, (b) the exit 
velocity. Compare  these values with 
those for the Mach 10 tunnel in 
Problems 4.40 and 4.41. What can you 
say about the differences? In particular, 
note the exit velocities for the Mach 10 
and Mach 20 tunnels. You will see that 
they are not much different. What is 
then giving the big increase in exit 
Mach number?

background image

 

 

Solution 4.42

 



s

m

RT

M

a

M

V

K

M

T

T

M

M

A

A

e

e

e

e

e

e

e

e

e

t

e

/

3390

5

.

71

287

4

.

1

20

5

.

71

2

20

)

1

(

1

5791

2

)

1

(

1

15377

20

2

1

4

.

1

1

1

4

.

1

2

20

1

2

1

1

1

2

1

1

2

1

2

0

1

4

.

1

1

4

.

1

2

2

1

1

2

2

Not much increase in velocity

28.7 times 
increase of exit 
area


Document Outline