¿Por qué se reduce la resistencia inducida en el efecto suelo?

Answer 1

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La imagen de arriba es propiedad de Eddie Haskel de Code 7700 LLC

Gracias por la oportunidad de A2A.

Ya tiene una gran cantidad de respuestas detalladas con excelentes diagramas, por lo que no tengo mucha información para agregar, excepto probablemente para proponer una perspectiva rápida desde el punto de vista físico (físico).

Levantar y arrastrar son realmente el resultado de una fuerza neta o resultante (presión x área) que actúa sobre la superficie de un ala. Ellos (Levantar y arrastrar) se definen típicamente en el contexto de direcciones perpendiculares que reflejan un sistema de coordenadas dado (por ejemplo, direcciones normales y paralelas en relación con la trayectoria de vuelo de la aeronave). La fuerza neta o resultante se produce como resultado de la transferencia de impulso por unidad de tiempo desde el ala en movimiento al fluido (aire) en el que se sumerge el ala.

Entonces, ¿qué significa lo anterior cuando hablamos de arrastre inducido?

Se puede decir que el arrastre inducido es el componente “ paralelo a la ruta de vuelo ” de la red o la fuerza resultante que actúa sobre el ala como resultado del flujo relativo de aire que lo atraviesa, siendo Lift el componente “ normal a la ruta de vuelo ”. El ángulo de la fuerza resultante con respecto a la normal a la dirección de la trayectoria de vuelo constituye el ángulo de bajada.

Si consideramos un ala a una altitud en la que es posible que el aire ‘escape’ desde la región de presión más alta debajo del ala a la región de presión más baja por encima, la fuerza neta se reduce y, por lo tanto, tanto la elevación como la resistencia inducida se reducen, aunque esto se reduciría dependerá de si se cambió el ángulo de lavado. Un aumento en el ángulo de lavado descendente reduciría el componente de elevación normal y aumentaría el arrastre inducido; el vector de elevación resultante se inclina hacia popa hacia el borde posterior del ala.

Sin embargo, cuando el ala está en movimiento cerca de la superficie, el aire perturbado debe superar la fricción con el suelo y a través de sus capas de corte vertical, y esta fuerza de fricción se opone efectivamente, en parte, al cambio de momento por unidad de tiempo, es decir, la magnitud de la fuga. (tasa) de aire desde debajo del ala hasta arriba del ala, lo que reduce el efecto decreciente de la fuerza neta o resultante y, por lo tanto, cualquier reducción tanto en la elevación como en la resistencia inducida, en comparación con el mismo ala que viaja a la misma velocidad hacia adelante en relación con el ala fluido circundante y en el mismo ángulo de ataque en altitud. Sin embargo, la circulación también se reduce y esto tiende a reducir el ángulo de flujo descendente, lo que esencialmente reduce la resistencia inducida y la reducción al componente normal de la fuerza neta o resultante (Levantamiento).

La ” comida para llevar ”
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La fricción inducida se reduce en el efecto del suelo como resultado de la disminución en el flujo descendente debido a una disminución en la diferencia entre la velocidad del aire que fluye más allá de la superficie superior del ala y el aire que fluye más allá de la superficie inferior del ala (denominado circulación).

La elevación (el componente resuelto de la suma de las presiones netas o resultantes que actúan sobre toda la superficie del ala normal a la trayectoria de vuelo) varía a medida que el coseno del ángulo de la corriente descendente y como tal no se ve afectado negativamente ya que la corriente descendente disminuye cuando efecto suelo

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Answer 2

La resistencia inducida es un tipo de resistencia causada por la elevación creada por las alas. La razón detrás del arrastre es la formación de vórtices de punta de ala. El aire debajo del ala está a mayor presión que en la parte superior. Entonces, el aire debajo de las alas tiende a moverse hacia la punta, mientras que el aire sobre la superficie se mueve hacia la raíz de las alas. En la punta del ala donde termina, los dos perfiles de aire giran y se mezclan formando un vórtice.

El efecto de los vórtices es tal que modifican el flujo de aire alrededor del ala. Le dan un empujón hacia abajo al flujo de aire detrás del ala, en lo que llamamos una corriente descendente. La corriente descendente desvía el aire a medida que fluye sobre la superficie del ala. Esto reduce el ángulo efectivo de ataque en las alas. Debido a esta reducción, para producir la elevación requerida, el piloto tiene que aumentar la presión de retroceso del palo para obtener el ángulo de ataque necesario. Esto desvía el vector de elevación hacia atrás produciendo un nuevo vector horizontal. Este nuevo vector se llama arrastre inducido.

El diagrama de arriba muestra una imagen 2D de cómo se forma el arrastre inducido.

Cuando el avión está en efecto suelo, la formación de vórtice se detiene un poco. El aire ya no sufre de la corriente descendente. La reducción resultante en la resistencia inducida y el mayor coeficiente de elevación, debido a la capacidad del ala para crear elevación en ángulos de ataque más bajos, el avión flota en la pista. Esto también aumenta el rendimiento de ascenso debido a las bajas cantidades de exceso de empuje requeridas. Otro efecto interesante del efecto suelo es que el piloto tiene que tirar más de la palanca para levantar el paso de la nariz. Esto ocurre debido a la reducción de la corriente de aire cerca de la proximidad del estabilizador horizontal que reduce su fuerza hacia abajo.

Para entrar en el efecto suelo, el avión debe volar a una altura igual a la mitad de su envergadura.

Gracias por preguntar.

Answer 3

Aquí hay una gran fotografía (tomada de Wing Models) que muestra un vórtice de punta de ala de un plumero que opera muy cerca del suelo. Una cosa a tener en cuenta es que el vórtice que puedes ver todavía es muy fuerte a pesar del hecho de que el ala está cerca del suelo. Es una idea falsa que la fuerza del vórtice se reduce en el efecto suelo. No lo es. Básicamente es la misma fuerza que volaría en el mismo ángulo de ataque a una altitud más alta. Pero la resistencia inducida asociada se reduce considerablemente. Es una explicación larga, pero sigue adelante y trataré de explicarte.

¿Qué es la resistencia inducida?

La resistencia inducida es una fuerza directamente opuesta a la dirección del movimiento de avance del avión. Esta fuerza es causada por una inclinación hacia atrás del vector de elevación. Esta inclinación hacia atrás del vector de elevación “inducida” por los vórtices finales. Se llama “inducido” debido a la analogía con la corriente eléctrica en un cable que induce un campo magnético.

Las ecuaciones para el flujo de fluido que pasa por un ala con una envergadura finita pueden simplificarse a algo análogo para fluir a través de un trozo de alambre con forma de letra U cuadrada. La parte horizontal a través de la parte inferior de la U representa la envergadura del ala y el dos brazos verticales de la U representan los vórtices finales. El ala más los dos vórtices finales actúan como un único vórtice largo semi-infinito con fuerza constante a lo largo de toda la longitud. He agregado algunas líneas rojas aquí para mostrar el vórtice semi-infinito continuo en forma de U. A veces se llama vórtice de herradura. En el análisis simplificado, toda la herradura es plana, pero este bosquejo indica la desviación hacia abajo de los vórtices finales que realmente sucede. Cada vórtice final induce un movimiento descendente del otro vórtice final.

Los dos largos vórtices finales inducen una velocidad descendente en el medio del ala. Entonces el ala experimenta un flujo de aire relativo que tiene un ángulo hacia abajo. Es como si el flujo viniera en un ángulo de ataque ligeramente diferente. En lo que respecta al ala, no sabe que el viento viene de la dirección incorrecta, por lo que forma una elevación y arrastre alineados con esta dirección de flujo local ligeramente alterada. Pero esas fuerzas aún actúan en el ala y tienen que ser superadas por el empuje del motor a lo largo de la ruta de vuelo real. Entonces, la fuerza de elevación se inclina un poco hacia atrás. Se rota por el ángulo de ataque inducido. El componente de esa fuerza paralela a la corriente libre verdadera se llama arrastre inducido.

Se puede derivar una expresión para el arrastre inducido y es igual a:

[matemáticas] CD_ {i} = \ frac {{CL} ^ 2} {\ pi \ cdot e \ cdot {AR}} [/ matemáticas],

donde [math] CD_ {i} [/ math] es el coeficiente de arrastre inducido, CL es el coeficiente de elevación con el que opera el ala, [math] \ pi [/ math] = 3.14159 …, e es el factor de elevación de Oswald que depende en la forma del ala y el giro del ala a lo largo de la envergadura del ala, y AR es la relación de aspecto del ala, que se define como [matemáticas] AR = \ tfrac {b ^ 2} {S} [/ matemáticas] donde [math] b [/ math] es la envergadura y [math] S [/ math] es el área del ala. Si el ala es rectangular, entonces [matemática] S = b \ cdot c [/ matemática] donde [matemática] c [/ matemática] es el acorde del ala, y luego la relación de aspecto se simplifica a [matemática] AR = \ tfrac {b} {c} [/ math], que es la envergadura del ala dividida por el acorde. Eso da una idea conceptual de lo que significa la relación de aspecto. Un ala más larga y delgada tiene una relación de aspecto más alta y eso proporciona menos resistencia inducida (AR está en el denominador). Si AR es igual a infinito, entonces no hay arrastre inducido.

Al observar esta expresión, está claro que la resistencia inducida es mayor cuando CL es grande y más pequeña cuando CL es pequeña. Después de todo, el resto de la ecuación es un montón de constantes. Cuando un avión vuela lentamente, como para despegar y aterrizar, necesita un CL alto para generar suficiente elevación a velocidades lentas. Para condiciones de elevación normales, CL es proporcional al ángulo de ataque (medido con respecto al ángulo de ataque para elevación cero). Entonces, para obtener un CL alto, el ala debe estar en un ángulo de ataque alto (pero no tan alto como para que el ala se detenga). A alta velocidad, CL es mucho más pequeño y el ángulo de ataque también será mucho más pequeño. Por lo tanto, la resistencia inducida es muy pequeña a alta velocidad porque el CL es pequeño. Es cuando se vuela lentamente en ángulos de ataque altos y, por lo tanto, en CL alto, que la resistencia inducida es grande.

Entonces, ¿qué sucede en el efecto suelo?

Cuando el ala está volando cerca del suelo, el flujo de aire alrededor del avión se altera porque no es posible que el aire fluya a través del suelo sólido. Sin embargo, los vórtices finales están induciendo un flujo descendente entre ellos. Con el suelo allí, ese flujo tiene que ir a otro lado. Pero, ¿cómo podemos analizar esto? ¿Cómo podemos cuantificarlo?

En realidad, no modelamos el terreno en sí. En cambio, jugamos un truco en el flujo. Ponemos un avión al revés debajo del avión que nos interesa. Lo convertimos en una imagen exacta del espejo con respecto a dónde se supone que debe estar el suelo. Lo colocamos a una distancia por debajo del suelo inexistente, la misma distancia que el plano está por encima del suelo inexistente. Luego nos fijamos en el campo de flujo de estos dos sistemas de imagen espejo. Debido a la simetría, todo lo que está por encima del suelo es exactamente igual a todo lo que está debajo del suelo. Recuerda que no hay terreno real. Pero esta simetría significa que no hay flujo a través de esa superficie horizontal del suelo. Agregar el avión al revés afecta el flujo exactamente igual que si hubiera una superficie terrestre (excepto por cualquier efecto de la viscosidad). Pero todo esto es flujo ideal sin viscosidad, aunque no lo dije antes. Gran truco Funciona. ¿Pero a qué se parece?

El vórtice de herradura y la imagen se reflejan en la superficie del suelo inexistente.

No pude encontrar una imagen que mostrara esto, así que lo bosquejé:

Espero que puedas entender ese bosquejo. ¡Me resulta confuso mirarlo y lo dibujé!

El plano de simetría entre los dos vórtices de herradura actúa como el suelo porque ningún fluido cruza ese plano.

Aquí hay una vista que mira directamente desde atrás. Se ve básicamente en la misma dirección que la foto original al comienzo de esta larga respuesta.

Ahora echemos un vistazo a la corriente descendente inducida en el medio del ala real (la línea horizontal oscura superior).

Las dos flechas hacia abajo son inducidas por los dos vórtices finales reales. Esa es la cantidad de flujo descendente que se experimentaría sin tierra presente. Las dos flechas en ángulo hacia arriba son inducidas por los vórtices reflejados. Esto cancela parcialmente la corriente descendente de los vórtices reales y eso es lo que reduce la resistencia inducida.

Por supuesto, no hay reflexiones reales. Esta es solo una forma de estimar el efecto del suelo en el flujo. Pero el efecto es real. El campo de flujo está distorsionado de manera similar al campo de flujo asociado con los cuatro vórtices en los diagramas.

Answer 4

Debido a que los vórtices de punta de ala (que inducen arrastre) no pueden formarse cerca del suelo. Básicamente, el suelo interrumpe la formación de vórtices inductores de arrastre.

En las dos ilustraciones anteriores, puede ver un avión moviéndose en una dirección particular con vórtices que se forman en la punta de las alas / aspas perpendiculares al suelo. En efecto de suelo, el suelo está lo suficientemente cerca como para obstruir el patrón circular de este flujo, reduciendo así la resistencia inducida.

¿Qué es “lo suficientemente cerca”? Eso depende de la aeronave, por supuesto.

Answer 5

Porque los vórtices de las puntas de las alas se reducen por la influencia aerodinámica de la corriente descendente que rebota desde el suelo.

Cuanto más cerca esté del suelo, menor será la resistencia inducida.

Si está a una altura igual al tramo de la pala del rotor (o ala), la reducción es pequeña: aproximadamente 1.4%.

Si es más bajo, en un cuarto de tramo, la reducción es más significativa en 23.5% y, si está a solo una décima parte del tramo (obviamente imposible para un helicóptero), la resistencia inducida se reducirá a la mitad.

Answer 6

los arrastres inducidos son los arrastres de parásitos asociados con el régimen de alta velocidad (transónica y supersonal) … en efecto sobre el suelo, el flujo se rompe (baja velocidad) lo que resulta en baja inducida (arrastre de paracita)
Puede leer los detalles sobre arrastrados en “flujo no comprimible” por “Aderson”