¿Cómo afecta la corriente descendente al ángulo de ataque?

Muchos libros de texto de aerodinámica, así como muchas respuestas aquí y sitios web similares, afirman que la corriente descendente de un ala induce un ángulo de ataque neto que es más bajo que solo mirar la dirección del flujo y la orientación de la cuerda. Luego, a menudo continúan diciendo que la sustentación es perpendicular a esta "dirección de flujo inducida", explicando que el componente paralelo a la dirección de flujo percibida originalmente es resistencia inducida. Lucho con esta idea, porque mi comprensión actual de la sustentación dicta que la corriente descendente en sí misma es un producto de la generación de sustentación y, por lo tanto, un producto del ángulo de ataque.

Además, cuando observamos visualizaciones de campos de flujo alrededor de un ala, podemos ver tanto la corriente ascendente delante del ala como la corriente descendente detrás de ella. Intuitivamente, me inclino a pensar que la corriente descendente, al estar corriente abajo del ala, ya no puede afectar la dinámica del flujo alrededor del ala. Por el contrario, la corriente ascendente, al estar aguas arriba del ala, debería afectar el flujo a su alrededor, aumentando el ángulo de ataque y, por lo tanto, la sustentación producida.

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La única explicación que se me ha ocurrido es esta, aunque no estoy seguro de si es correcta:

Dado que cualquier ala que produzca sustentación debe introducir una corriente descendente neta en el aire circundante, el movimiento de aire promedio sobre toda el ala también debe ser negativo. Supongo que mi problema con esta explicación es que siempre he pensado en el ángulo de ataque como una función de la orientación de la cuerda y la dirección del flujo. ¿Es correcto suponer que, mirando de cerca el campo de flujo alrededor de un ala, el "ángulo de ataque tradicional" no importa tanto ya que las grandes velocidades de flujo inducidas en la parte delantera del ala crearán un ángulo de ataque "aerodinámico" real? es decir, ¿el ángulo en el que el aire que se aproxima realmente golpea el ala (a diferencia del ángulo entre la dirección del flujo de corriente libre y la línea de cuerda) difiere significativamente?

Pido disculpas si mi pregunta no es muy comprensible, me costó mucho formularla. En cualquier caso, me encantaría recibir una respuesta y haré todo lo posible para aclarar lo que no está claro.

Respuestas (3)

¿Es correcto suponer que, mirando de cerca el campo de flujo alrededor de un ala, el "ángulo de ataque tradicional" no importa tanto ya que las grandes velocidades de flujo inducidas en la parte delantera del ala crearán un ángulo de ataque "aerodinámico" real? es decir, ¿el ángulo en el que el aire que se aproxima realmente golpea el ala (a diferencia del ángulo entre la dirección del flujo de corriente libre y la línea de cuerda) difiere significativamente?

Sí. Solo observe el ángulo en el que las lamas apuntan hacia abajo: están orientadas en la dirección local del flujo que es fuertemente hacia arriba en el borde de ataque cuando el coeficiente de sustentación es alto.

Configuración típica de aterrizaje de un ala de avión

Configuración típica de aterrizaje del ala de un avión de pasajeros, de un artículo de AMO Smith , McDonnell-Douglas, en Journal of Aircraft, Vol. 12 N.° 6, 1975. Como siempre: las líneas de corriente convergentes indican un flujo acelerado y una presión descendente, mientras que las líneas de corriente divergentes muestran un flujo desacelerado y ascendente. presión.

Tenga en cuenta que la aleta de doble ranura aquí es fundamental para inducir este ángulo de flujo local pronunciado: sin ella, el ala no produciría tanta sustentación y la succión en el lado superior sería mucho más débil, lo que provocaría una menor flexión local de la dirección del flujo. .

Tenga en cuenta también que el ángulo de ataque del perfil aerodinámico es 0° mientras que las líneas de corriente que entran en el dibujo de la izquierda ya tienen un ángulo de corriente ascendente marcado. Lo mismo sucede a la inversa en el lado derecho donde el flujo muestra una corriente descendente distinta. Esta es una simulación 2D ya una distancia infinita del perfil aerodinámico, la dirección del flujo es estrictamente horizontal. En ambos lados, porque esta superficie aerodinámica no produce resistencia inducida en el flujo 2D (un efecto también conocido como paradoja de d'Alembert ).

Sin embargo, en un ala real, los efectos de la punta reducen la pendiente de la curva de sustentación, por lo que la sección del ala local mostrará un coeficiente de sustentación más bajo con el mismo ángulo geométrico de ataque. Ahora la succión y el flujo ascendente se reducen (pero aún existen) y el aire que sale del ala lo deja con un componente adicional de velocidad descendente. El patrón de flujo de campo lejano ahora ya no tiene la simetría de la misma corriente ascendente y descendente. En su lugar, el ángulo de flujo descendente se incrementa al doble de la magnitud del ángulo de flujo ascendente reducido debido a que se debe agregar la influencia de los vórtices libres en la estela . El resultado es una inclinación hacia atrás de la suma de todas las fuerzas de presión que actúan sobre el ala, lo que llamamos arrastre inducido.

Estoy luchando un poco con la última parte de tu respuesta. ¿A qué te refieres exactamente con "efectos de punta"? Además, si se reducen el coeficiente de sustentación y, a su vez, la succión y la corriente ascendente, ¿no se reduciría también la corriente descendente, ya que es proporcional al ángulo de corriente descendente/la elevación generada?
@MoritzHeppler Los "efectos de la punta" son la reducción de la sustentación debido a la ecualización de la presión en las puntas de las alas. Sí, la corriente descendente se reduciría sin el efecto adicional de los vórtices libres que se desprenden precisamente porque la circulación llega a cero en la punta. Entonces, los efectos de la punta aumentan la corriente descendente detrás del ala (más preciso: en el interior π / 4 ) y agregue un upwash a la izquierda y a la derecha.
Entonces, ¿el aumento en la corriente descendente en un ala 3d en comparación con una 2d (o más bien, la presencia de una corriente descendente neta) ocurre solo debido a que la estela se desarrolla en sí misma? Si ese es el caso, tengo otra pregunta: la estela solo comienza a subir cuando ha dejado el ala, entonces, ¿cómo puede inducir un flujo descendente en el aire que aún afecta un ala? ¿O el punto es que la corriente descendente aparente que vería en un campo de líneas aerodinámicas no se debe por completo a la sustentación pura producida por un ala, sino a una combinación de ella y los vórtices de estela que "soplan" aún más el aire detrás del ala? ala hacia abajo?
@MoritzHeppler No, la acumulación de estela es solo la consecuencia de levantar y arrastrar. Los vórtices libres (que formarán la estela) inducen esa corriente descendente en todo el campo de flujo alrededor del ala, por lo que está inclinada en comparación con el caso 2D. No debería haber dicho "detrás del ala", sino "sobre y detrás del ala".
Creo que tengo algunos problemas con la redacción. ¿Sería correcto decir que, debido a los efectos de la punta (es decir, la presión cambia hacia la presión ambiental/corriente libre a medida que se acerca a la punta) y siguiendo el flujo transversal, la estela está formada por vórtices, por lo que se enrolla en ¿sí mismo?
@MoritzHeppler: Eso es exactamente correcto . La mayoría de los autores llaman efecto de punta al flujo local alrededor de la punta del ala. Pero esto es demasiado estrecho. Cuando incluye la disminución gradual de la sustentación desde la mitad del ala hacia las puntas en esa definición, se vuelve correcta.
¿Cómo se relaciona eso con los beneficios de una alta relación de aspecto? Digamos que el área del ala se mantiene igual, pero hay una extensión de tramo. Obviamente, gira más aire en menor medida en lugar de menos aire con más fuerza, por lo que el AoA y el diferencial de presión entre la superficie superior e inferior son menores, es decir, la presión promedio en ambas superficies está más cerca de la presión de flujo libre. Por lo tanto, el cambio de presión a lo largo del tramo es menos pronunciado, lo que significa menos flujo a lo largo del tramo -> vórtices de estela más débiles -> menos flujo descendente inducido -> ¿menos arrastre inducido?
@MoritzHeppler: Esto ha sido respondido aquí . En general, los efectos de la punta tienen una influencia relativamente menor y una fuerza de vórtice más débil es suficiente para el mismo levantamiento porque afecta más aire. Las presiones sobre el ala son las mismas, pero se extienden sobre una cuerda más pequeña.
Después de leer esa respuesta y algunas otras vinculadas allí, no estoy seguro de las conclusiones que saqué nuevamente. Estoy pensando que, si, digamos, la presión se mantuviera igual a lo largo de todo el tramo (sin pensar en cómo facilitaría esa distribución), la corriente descendente detrás del ala sería igual a la corriente ascendente frente a ella. Sin embargo, esto significa que no se ha producido ninguna desviación neta hacia abajo, por lo que no se ha producido sustentación. parte 1/2
Pero si el ala es finita y la presión se mueve hacia el ambiente a medida que aumenta la envergadura, se esperaría que la corriente descendente también aumentara con la envergadura, porque es inducida por el aumento de la vorticidad resultante del aumento del flujo en la envergadura a medida que se acerca a la punta. ¿Podría explicar si y dónde estoy cometiendo un error en mi proceso de pensamiento? También pido disculpas por mi dificultad para comprender el tema, realmente no estoy seguro de por qué tengo tantos problemas con él. parte 2/2
@MoritzHeppler La combinación de alta vorticidad y un pequeño gradiente de vorticidad en el tramo cerca del centro produce la misma corriente descendente que una baja vorticidad con un alto gradiente de vorticidad en el tramo cerca de la punta. Downwash se distribuye uniformemente sobre el tramo.
En ese caso, tengo que leer un poco, porque pensé que la vorticidad era únicamente un subproducto de los efectos de la punta y, por lo tanto, aumentaría a medida que avanza a lo largo del tramo. Una vez más, me gustaría dar las gracias por sus respuestas tan detalladas.
@MoritzHeppler: No, la vorticidad es más alta en el centro y disminuye hacia las puntas. Prueba esta respuesta .

la corriente descendente de un ala induce un ángulo de ataque neto que es más bajo...

Así que agregue un estabilizador horizontal a su imagen y suba y baje su AOA (también puede bajar las aletas).

Lo interesante es que, dado que el estabilizador horizontal generalmente está configurado para producir sustentación negativa (fuerza descendente), la corriente descendente aumentará su AOA negativo .

Al lanzar flaps en un 172, el cabeceo del morro hacia arriba es muy notable.

El ángulo de ataque AoA, la relación de aspecto A y el ángulo de deflexión descendente E están vinculados por:

sen E = 4 sen AoA/(2+A)

Derivación aquí: Chris Waltham, Vuelo sin Bernoulli https://booksc.org/book/45382205/a4710b

… para ángulos pequeños, relaciones de aspecto > 5 y pendiente de la curva de elevación C L α = 2 π .
¿Cómo afecta la corriente descendente al ángulo de ataque?
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