¿Por qué no se ha diseñado un ala para detener los vórtices de la punta del ala de manera efectiva?

Answer 1

Tim, y el hombre que citó tiene razón; Los vórtices de las alas son un efecto secundario del hecho de crear un levantamiento aerodinámico.

¿Se pueden eliminar por completo? Quizas un dia. En este momento, lo mejor que podemos hacer es reducir sus efectos.

Para comprender mejor el fenómeno, veamos cómo y por qué se crea un vórtice de ala, ¿de acuerdo?

Este es el perfil de un diseño de ala simple. La parte superior es curva como puedes ver. Esta curvatura hace que el aire que se mueve a través de él:

• Desvía hacia abajo, creando una reacción opuesta empujando el ala hacia arriba
• Comprime mucho más en comparación con el aire que viaja por debajo. Como resultado de verse obligado a ocupar un volumen más pequeño, el aire en la parte superior comienza a ir más rápido para mantener la velocidad de flujo debido a la conservación de la masa y, si recuerda sus clases de física (o los principios de Bernoulli), más rápido se mueve el fluido. Menos presión tiene.

Pero recuerde que la parte inferior del ala no está curvada, por lo que el aire no se mueve tan rápido como el superior. Lo que significa que la parte inferior del ala ejerce más presión sobre ella que la superior. La parte inferior del ala se empuja hacia arriba en efecto. Esta diferencia de presión y la desviación hacia abajo del flujo es exactamente lo que se llama “elevación”.

Ahora imagina un ala en tu cabeza. El aire que fluye por el fondo empuja hacia arriba sobre toda la superficie inferior, pero esa superficie termina en algún punto. Este punto es la punta. En la punta, este aire que está empujando hacia arriba básicamente se derrama. Derramar sobre la superficie inferior y empujar hacia la parte superior, porque tiene menos presión. El aire intenta llenar el vacío.

Este derrame es lo que se llama un vórtice. Se arremolina alrededor de la punta del ala y trata de igualar la presión en la parte superior e inferior. Esto crea resistencia y hace que la superficie en el borde del ala deje de crear elevación. Efectivamente terminas teniendo un ala más corta que la que tienes con un arrastre adicional para arrancar.

Ahora que mira esto:

¿Ves las puntas de las alas? ¿Te parecen familiares?

¿Se parecen a esto?

Si lo hacen (y deberían) no es casualidad. Las personas que idearon el diseño de las alas se inspiraron en las alas de los pájaros depredadores.

Oh por cierto; que las protuberancias que apuntan hacia arriba en la punta de cada ala es lo que se llama una “aleta combinada”.

Airbus utiliza principalmente algo como esto:

Lo que hace una aleta es dificultar que el aire en la parte inferior se derrame y lo aleje más de la superficie de la aleta. Básicamente es como una pared, el aire no puede simplemente caminar hacia la parte superior del ala, tiene que trepar sobre ella si quiere mezclarse con el aire de baja presión. Lo que significa que las partes del ala que antes no podían generar elevación, ahora sí pueden.

El resultado final es que efectivamente aumentó la longitud de su ala Y creó menos resistencia.

Entonces tienes más elevación y menos resistencia. Lo mejor de ambos mundos. Por supuesto, podría simplemente alargar su ala para aumentar la cantidad de sustentación, pero de esta manera inducirá más arrastre, comiendo en beneficio de un ala larga.

Existen diferentes diseños de alas y todos hacen lo mismo.

Volviendo a la pregunta; “ ¿Por qué no se ha diseñado un ala para detener los vórtices de la punta del ala de manera efectiva? ”

Ellos tienen.

Se llama winglet.

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Editar : A instancias de Alain Faddegon, he revisado mi explicación del proceso de creación de ascensor a una versión correctora. Esto es más elegante, creo. Aunque todavía no es tan completo como una explicación matemática completa que incluye ángulos de ataque y demás, quería mantenerlo lo más simple posible de entender y visualizar.

Answer 2

Para citar a John S. Denker en Vea cómo vuela:

Es un error común pensar que los vórtices de las puntas de las alas se asocian de alguna manera con un flujo innecesario (a veces llamado flujo “lateral”), y que pueden eliminarse usando cercas, alerones, etc. La realidad es que los vórtices son completamente necesarios; no puedes producir ascensor sin producir vórtices.

La vorticidad es un componente fundamental de la generación de ascensores. Los vórtices de punta de ala solo se pueden detener al no generar elevación.

Answer 3

Aquí hay algunos intentos:

Ala cerrada – Wikipedia

Estos en realidad no eliminan los vórtices finales por completo. No es necesario tener una punta de ala para obtenerlos porque se forman a lo largo del borde posterior de un ala. Cuando hay presión positiva en la parte inferior y presión reducida en la parte superior de una superficie generadora de elevación, se obtiene un componente de flujo en todo el tramo. En la parte superior, el aire fluye hacia adentro (un poco) y en la parte inferior fluye hacia afuera (un poco) y a medida que esos flujos abandonan el borde de salida, se retuercen para formar vórtices de salida axiales y aún causan arrastre inducido.

A menos que tenga una envergadura de ala infinitamente larga, es imposible eliminar completamente los vórtices finales. Son una consecuencia de la elevación que varía a lo largo de la dirección transversal.

En última instancia, lo que te importa es la resistencia total. El arrastre inducido es en realidad bastante bajo en condiciones de crucero, por lo que si comienza a agregar muchas superficies para reducir la fuerza de los vórtices finales, terminará agregando más arrastre de fricción a la piel y tirará al bebé con el agua del baño.

La siguiente imagen es de una tesis doctoral de Caltech que investiga el sistema de vórtice posterior detrás de un anillo circular.

http: //thesis.library.caltech.ed …

El círculo punteado representa la mitad del ala. Las rutas con flechas representan la proyección de los vectores de velocidad, que en su mayoría apuntan fuera de la página hacia el espectador. Puedes ver que todavía hay vórtices a pesar de no tener puntas de alas.

Answer 4

La única forma de eliminar los vórtices de punta de ala es tener un ala de longitud infinita. La única forma teórica de hacer que esto funcione sería diseñar un ala que fuera una estructura de aro en la que, visto desde la parte delantera del avión, se vea como un gran anillo que se curva y se une en la parte superior, por lo que no habría puntas de ala para que el flujo de aire fluya y solo desde ese aspecto no habría vórtices como los conocemos hoy.

Este concepto necesitaría primero resolver las enormes fuerzas de arrastre asociadas con una gran cantidad de fenómenos, como el efecto venturi, problemas de estabilidad dinámica, problemas de estabilidad estática y problemas de relación potencia / peso para resolver la estructura enormemente aumentada.

Actualmente, la solución general es diseñar la forma del plano del ala y, por lo tanto, la relación de aspecto del ala para que sea más efectiva para la misión particular que requieren las especificaciones de la aeronave. En resumen, la solución para eliminar un fenómeno aeronáutico indeseable introduce problemas que actualmente no tienen soluciones. De hecho, puedes construir un avión que no tenga vórtice. Tome un anillo de papel higiénico y córtelo en dos. Pegue cada extremo a un palito de paleta para que haya un anillo en cada extremo.

Cuando lances este avión experimental, cortará el aire y volará un poco. Haga esto y verá cómo vuela un avión sin vórtices de punta de ala. Quizás ayudaría a visualizar los problemas a resolver.

Answer 5

La respuesta de Tim Morgan merece respeto, pero omite los “alerones” o las puntas hacia arriba en las alas de los aviones comerciales. Al modificar el vórtice de la punta, permiten que la aeronave obtenga más “millas por galón”.

Answer 6

Necesitas ver esto de manera diferente.

[matemáticas] F = \ frac {dp} {dt} [/ matemáticas]

Así es como un ala produce elevación. Un bloque de aire produce una fuerza hacia arriba en un avión, obteniendo una velocidad hacia abajo. Al tratar el aire como un fluido incompresible, debe haber un camino de retorno. Esto resulta en vorticidad. La vorticidad total no se puede eliminar, pero se puede redistribuir.

La pérdida de energía del vórtice inducido se reduce cuando hay una mayor cantidad de aire involucrado en el flujo de retorno. Esto reduce la velocidad promedio del aire en circulación. La pérdida de energía es directamente proporcional a la masa de aire involucrada, pero proporcional a la velocidad al cuadrado. La reducción del arrastre de vórtice inducido de un ala se obtiene reduciendo [math] \ int_V \ rho v ^ 2 dV [/ math].

Esto es solo el equivalente fluido de [matemáticas] E = \ frac {1} {2} mv ^ 2 [/ matemáticas].

Todo intento inteligente de reducir “el vórtice de la punta del ala” en realidad está reduciendo la magnitud de esta integral. Lo que realmente están haciendo, a sabiendas o no, es reducir el impulso dentro del núcleo del vórtice a expensas de aumentar el impulso en otros lugares, lo que resulta en una disminución general de la pérdida de energía.