¿Cómo podría ser posible prevenir por completo la formación de vórtices en la punta del ala? [duplicar]

Los vórtices en las puntas de las alas son un efecto secundario inevitable de producir sustentación con un perfil aerodinámico de longitud finita (por lo tanto, tener "puntas de las alas"). El ala está diseñada primero para tener una presión relativamente alta debajo del ala y una presión más baja por encima. En segundo lugar, el aire que pasa sobre la parte superior del perfil aerodinámico se dirige hacia abajo cuando sale del ala (así, "tirando" del ala hacia arriba por la Tercera Ley de Newton). Estas dos características de un perfil aerodinámico se combinan para hacer que el aire alrededor de la punta del ala quiera "girar"; El aire a alta presión debajo del ala se "filtrará" hacia arriba sobre la punta del ala, luego se dirigirá hacia abajo junto con el resto del aire, creando el vórtice de la punta del ala:

Reducir la diferencia de presión entre el aire por encima y por debajo del ala, por definición, reducirá la sustentación, porque es esta diferencia de presión la que produce la sustentación. De la misma manera, reducir la "corriente descendente" de la parte posterior del ala reducirá la sustentación porque la fuerza que crea la corriente descendente también está levantando el ala. Por lo tanto, las alas convencionales producirán vórtices en las puntas de las alas por definición.

Las formas teóricas de reducir este vórtice incluyen:

• Haga que sea más difícil que el aire se "filtre" hacia arriba sobre la punta del ala. Este es el principio detrás de los "winglets" que se ven en muchos aviones; evitan que el aire debajo del ala pueda moverse sobre la parte superior, reduciendo así la severidad de la rotación del vórtice (lo que reduce la resistencia, lo que ahorra combustible a las aerolíneas):

  

  Incluso los aviones pequeños, como este deporte ligero PiperSport, a menudo tienen pequeños alerones combinados para reducir la resistencia al vórtice, ahorrando la mayor cantidad posible de energía disponible de los motores de potencia limitada de esta clase:

  

  La punta del ala del A-10 tiene una idea similar implementada de manera opuesta; una ligera curva hacia abajo en la punta del ala mantiene el "colchón" de aire a mayor presión debajo del ala, lo que reduce la cantidad de fugas alrededor de la punta del ala, lo que reduce la velocidad de pérdida del ala y también reduce los vórtices de la punta:

  

• No tiene punta de ala. Los diseños de alas "no planas", incluidas las alas anulares, reducen (pero no eliminan) la resistencia al vórtice en comparación con las formas en planta de las alas convencionales simplemente al no proporcionar un borde único entre las superficies de sustentación y no sustentación:

  

  Este es un dibujo conceptual, pero la idea de un ala de bucle cerrado sin punta se ha incorporado a los aviones pequeños de producción, como este pequeño monoplaza bielorruso:

  

  La resistencia del vórtice no se elimina por completo porque todavía hay una corriente descendente detrás de las alas en relación con el aire no perturbado a ambos lados del avión, pero la intensidad del vórtice (y, por lo tanto, la energía perdida que lo produce, que cuenta como resistencia) se reduce considerablemente.

• Reduzca el diferencial de presión en la punta del ala. Esta es una forma importante en que las formas planas de ala en flecha, delta y doble delta reducen los vórtices de punta. En pocas palabras, la mayoría de las alas modernas de los jets de alta velocidad o de alto rendimiento tienen una longitud de cuerda más pequeña y una sección transversal más delgada en la punta del ala que la base del ala. Esto proporciona menos sustentación en la punta del ala (y la punta del ala se detiene más fácilmente y, por lo tanto, tiende a entrar en pérdida primero) que un ala recta con una sección transversal relativamente constante, pero la reducción en el diferencial de presión y la corriente descendente justo en la punta del ala reducen los dos contribuyentes principales. a los vórtices de punta de ala:

  

Los vórtices en las puntas de las alas son inevitables en un ala tridimensional que produce sustentación. Los vórtices son el resultado de la diferencia de presión que provoca la elevación. Las únicas formas de eliminar los vórtices son,

• Haz que el ala sea bidimensional, es decir, haz que su envergadura sea infinita, como un perfil aerodinámico.
• No produzca sustentación.

Desafortunadamente, ninguno de estos nos ayuda mucho.

Algunos puntos a tener en cuenta son:

• Winglets y otros dispositivos de punta de ala reducen la intensidad de los vórtices, no los eliminan.
• 'Cerrar' el ala o la punta del ala no elimina la estela del vórtice de arrastre o la resistencia inducida. Desde aero.stanford.edu:

Las alas que forman bucles cerrados ... no eliminan los "vórtices de punta" o las estelas de vórtice de arrastre aunque el ala no tenga puntas.

La siguiente figura muestra la simulación CFD de alas con diferentes dispositivos de punta de ala.

Imagen del Estudio de eficiencia aerodinámica de las alas modernas de Spiroid , por Tung Wan Hung-Chu Chou Kuei-Wen Lien. Se quitaron los números de las figuras para que encajen correctamente.