¿Compensaría una reducción del 8 % en la resistencia la adición de peso de este winglet personalizado probado con CFD?

En primer lugar, ¡una pregunta increíble y una gran investigación! Este tipo de investigación de "vamos a ver qué sucede" lo llevará lejos si decide dedicarse a la aerodinámica a un nivel avanzado (y, por supuesto, en otras actividades). No hace mucho, tuve que escribir un informe similar: al carecer de los recursos y el conocimiento de los gigantes aeroespaciales, yo también me preguntaba por qué aparentemente podía inventar diseños que a primera vista parecían muy superiores a los de ellos. Pensé que tenía winglets abajo frío.

Luego entré a trabajar para Boeing y comencé a hablar con los aerodinámicos. Empecé estudios de postgrado de aeronáutica. Resulta, como era de esperar, que hay mucho que no se puede obtener de los libros de texto de pregrado y los datos disponibles públicamente. Si bien obviamente no puedo ser exhaustivo aquí, y probablemente ni siquiera responderé tu pregunta al pie de la letra, puedo darte algunas cosas en las que pensar. Para ser claros, no iría mucho más allá de lo que ha hecho con su modelado y simulación, pero si desea algunos puntos de discusión para su artículo, aquí hay algunos sin ningún orden en particular. He hecho algunas suposiciones sobre su nivel de conocimiento, así que discúlpeme si es condescendiente y pregúnteme si necesita una aclaración.

La fidelidad de su modelo de referencia

Los winglets...eran los del 737MAX....El ala es la misma que la de un 737NG.

¿En qué datos basó su modelo? El ala de un 737 no es una simple cuestión de perfil aerodinámico, algo de conicidad y algo de torsión. Me doy cuenta de que no incluiste nacelles/pilones o carenados flap-track. El diseño de un winglet de producción está fuertemente ligado a la integración del diseño general del ala, incluidos todos los componentes adicionales que cuelgan de él.

La razón por la que los winglets del 737 MAX son efectivos

El 737 MAX utiliza lo que se denomina el winglet de tecnología avanzada (AT). Sabemos que una extensión de ala bien diseñada es más eficiente aerodinámicamente que un winglet . Pero la envergadura del 737 debe mantenerse dentro de ciertos límites para operar con la misma infraestructura terrestre que los modelos anteriores, por lo que un winglet es una buena solución. Pero, ¿y si pudiéramos tener un poco de ambos? Bueno, el winglet AT hace exactamente eso :

El ala inferior está configurada de tal manera que la deflexión hacia arriba del ala bajo una carga de vuelo de aproximadamente 1 g hace que la aleta inferior se mueva hacia arriba y hacia afuera desde la posición estática a una posición en vuelo, lo que resulta en un aumento efectivo de la envergadura del ala.

Entonces, para comprender realmente la eficiencia del winglet AT, necesitaría modelar esta geometría desviada.

El otro elemento que contribuye a la eficacia del winglet AT es su flujo laminar natural :

En los winglets anteriores, el arrastre debido a la fricción del flujo de aire sobre el winglet es uno de los principales detractores del flujo de aire eficiente... Esto lo resuelve Boeing utilizando un diseño detallado, materiales de superficie y revestimientos que permiten un flujo de aire laminar, o más suave. el ala

El régimen de flujo que está modelando

Los winglets AT son más efectivos ya que su eficiencia se agrega en tramos de crucero largos, de alta velocidad y gran altitud. Todo lo que ha dado es una verdadera velocidad aerodinámica, pero para este tipo de análisis de aviones de transporte, el número de Mach es mucho más importante. No ha proporcionado una temperatura del aire, pero por la densidad que ha proporcionado, parece que esta simulación está al nivel del mar, lo que significa que su número de Mach no es lo suficientemente alto. Pero esto, de hecho, podría explicar parcialmente sus resultados. Observe la curva de arrastre : en general, un ala espiroide como la suya reduce el arrastre inducido a expensas de un arrastre parásito. Como puede ver, podemos permitirnos una resistencia parásita adicional a velocidades más bajas porque domina la resistencia inducida.

Si tuviera que hacer una sugerencia, sería ejecutar su simulación en un número de Mach realista (alrededor de 0,8) y ver qué sucede. Pero cuidado...

Las limitaciones de su software CFD

Estamos llegando al punto en que CFD, cuando se implementa bien, es bastante bueno para modelar el rendimiento de una aeronave en vuelo de crucero. Gran parte de las pruebas en túnel de viento para aviones grandes en estos días se centran en condiciones de maniobras y sustentación alta, donde la CFD es mucho más corta. Por supuesto, siempre queremos validar nuestro CFD en el túnel de viento para todas las condiciones de vuelo, pero para configuraciones bien entendidas en crucero, los resultados a menudo coinciden bien en términos de cálculo del rendimiento general. Pero la advertencia "cuando se implementa bien" es clave. Personalmente, no tengo experiencia con SOLIDWORKS Flow Simulation, pero parece que está diseñado para ser un software CFD de propósito general, por lo que no confiaría demasiado en sus resultados para simulaciones grandes, complejas y de alta velocidad como las que se requieren. para este análisis.

En particular, está el tema de la turbulencia. No en el sentido de aire inestable que empuja a un avión, sino en el sentido de flujo caótico sobre la superficie del avión. Tan caótico, de hecho, que ninguna computadora en el mundo puede modelar con precisión el movimiento con un tiempo de cálculo lo suficientemente corto. En cambio, usamos modelos de turbulencia que intentan aproximarse a lo que sucede de una manera que pueda resolverse lo suficientemente rápido. SOLIDWORKS utiliza el modelo k-epsilon , que es popular para el software de uso general, pero puede que no sea la mejor opción aquí. En particular, señala Wilcox ,

Incluso la insuficiencia demostrable del modelo [k-epsilon] para flujos con gradiente de presión adverso ha hecho poco para desalentar su uso generalizado.

Dado que los flujos sobre las superficies aerodinámicas están bastante influenciados por los gradientes de presión adversos, sería cauteloso. Puedo decirles que Boeing hace un buen uso del modelo de turbulencia Spalart-Allmaras junto con la simulación de remolinos separados (Spalart es un empleado). Pero elegir la implementación CFD correcta para un problema en particular es un proceso matizado que requiere mucho juicio y cuidado.

La primera posibilidad es que el CFD de su cad no sea tan sofisticado como el software utilizado por los ingenieros de boeing. Lo que significa que su diseño puede tener fallas que no aparecen en su software pero sí en el de Boeing (o ni siquiera allí pero sí en un túnel de viento).

En segundo lugar, solo vi que se estaba probando una configuración de vuelo. Los aviones hacen algo más que navegar a gran altura y los alerones deben ser buenos en todas las condiciones. En especial, no deben afectar negativamente al comportamiento de entrada en pérdida y barrena.

Tus alerones se ven un poco endebles y me preocuparía que se rompieran o se deformaran en condiciones turbulentas. Esas deformidades afectarían su desempeño, posiblemente para peor.

Ante todo gran análisis! No soy un experto en aerodinámica pero, por lo poco que sé, los aviones son un compromiso. Cuando diseñas un avión, tienes que crear formas que sean posibles de fabricar, que no cuesten demasiado y que sean resistentes (y que cumplan con las normas). Por último, pero no menos importante, debe probar la resistencia aerodinámica en múltiples fases del vuelo y en múltiples configuraciones (flaps/slats): no solo en crucero y analizar cómo afecta este nuevo diseño a la sustentación. Además, no sé qué tan preciso es Solidworks CFD: considere que el túnel de viento todavía se usa porque CFD no es perfectamente preciso.

Una cosa que he olvidado: las estructuras tienen un peso. Si para hacer una forma compleja tiene que usar un material más fuerte, entonces el avión tendrá un peso más alto que anulará sus ganancias en resistencia. ¿Cuál es la diferencia en la resistencia aerodinámica entre ningún winglet y B737 MAX winglet?

Si bien todos los demás puntos planteados son válidos, también es importante volver a lo básico y comprender primero qué se supone que deben hacer realmente los winglets y qué impulsa el rendimiento de una aeronave:

Los winglets no reducen el "arrastre de perfil" o la fuerza de arrastre que existe cuando no se produce sustentación. Lo más probable es que aumenten ligeramente la resistencia del perfil. Si su reducción en la resistencia proviene de una reducción en la resistencia del perfil, esto es inmediatamente sospechoso, bordeando la locura de la máquina de movimiento perpetuo. Los winglets generalmente reducen la 'resistencia inducida', que es la parte de la fuerza de resistencia total que se produce cuando el ala comienza a generar sustentación. La cantidad de resistencia inducida que se produce depende de la eficiencia del ala y su envergadura, o una 'envergadura efectiva' calculada multiplicando la envergadura física por la eficiencia del ala. Se supone que los winglets aumentan la "envergadura efectiva" del ala sin exceder las limitaciones físicas de envergadura. Esto significa que la reducción de la resistencia aerodinámica será mayor cuanto más sustentación necesite producir, o cuanto mayor sea su ángulo de ataque. Debido a que los aviones de pasajeros grandes generalmente se diseñan en torno a unas pocas condiciones de crucero principales con ángulos de ataque relativamente bajos, generalmente reclaman mejoras del orden del 2-4% en la eficiencia del combustible con la adición de winglets.

Es importante comparar los valores de arrastre con los mismos valores de sustentación en lugar de con los mismos ángulos de ataque. En un cierto ángulo de ataque, los winglets pueden ser efectivos al reducir la resistencia o aumentar la sustentación (generalmente aumentando un poco la extensión física), o ambos. El parámetro de rendimiento importante que debe trazar es el arrastre polar, donde la sustentación se representa frente al arrastre. Un avión navegará en cualquier ángulo de ataque que se requiera para mantener 1 g, lo que dependerá de sus características de peso y sustentación. El ángulo de ataque tiene grandes implicaciones en el diseño, pero no impulsa el rendimiento. Al comparar diferentes configuraciones, la superposición de polares de arrastre le dirá todo lo que necesita saber, incluso cómo difieren los valores de arrastre del perfil. Debe ejecutar sus simulaciones en diferentes ángulos de ataque y trazar los coeficientes de sustentación resultantes contra los coeficientes de arrastre resultantes. Una verificación rápida del caso que ya ha ejecutado sería asegurarse de que su drástica reducción de la resistencia no vaya acompañada de una drástica reducción de la sustentación. Debido a que su superficie de elevación principal no ha cambiado, este no debería ser el caso.

Todo lo que todos dicen sobre las deficiencias ocasionales de CFD, especialmente las soluciones 'rápidas y fáciles' integradas en los paquetes CAD, es cierto, pero aún así no esperaría una diferencia tan drástica entre dos configuraciones relativamente similares que se ejecutan en el mismo software. Me aseguraría de que absolutamente todo lo demás en las simulaciones de las diferentes configuraciones sea el mismo, verifique los cambios en el perfil de arrastre y elevación, y haga una visualización del flujo para tratar de comprender qué está sucediendo en la simulación para causar la caída. Luego verificaría si sucede lo mismo en un número de Mach más alto. Idealmente, le gustaría verificar otros paquetes de software, pero entiendo que esto puede no ser posible y puede estar fuera del alcance de su ensayo.

Diría que lo más importante es que el modelo de computadora debe validarse con los resultados del túnel de viento. Como sabe cualquier persona realmente familiarizada con el debate climático, los modelos de computadora que intentan simular fenómenos extremadamente complejos a menudo en algún momento comienzan a divergir de la realidad y aún necesita probar en el mundo real para validar o falsificar el modelo para realmente averiguarlo.

Apuesto entonces a que su versión funciona bien porque el modelado es inadecuado para reproducir algún efecto sutil, y que si lo probara en un túnel de viento se sentiría decepcionado.

El análisis estructural es un poco similar. El análisis computarizado de elementos finitos realizado para la resistencia y la resistencia de la estructura tiene sus propias limitaciones y aún debe validarse con una ejecución en un banco de pruebas de resistencia, y muy a menudo las predicciones de la computadora son incorrectas. Esta es la razón por la que es importante completar las pruebas de la plataforma de resistencia estructural lo antes posible en el programa de producción para minimizar los parches que deben realizarse en servicio cuando las pruebas descubren estructuras modeladas inadecuadamente.

En primer lugar, ¡felicidades por su pensamiento 'fuera de la caja' y un concepto interesante!

Las respuestas anteriores han abordado muchos de los puntos principales, así que pido disculpas si repito alguno de ellos, pero aquí están mis comentarios iniciales:

1. Todos los dispositivos de punta de ala (o extensiones) reducen la resistencia inducida por sustentación. La condición de funcionamiento afecta en gran medida la cantidad de arrastre inducido presente. Existe una relación cuadrática entre la resistencia inducida y el coeficiente de sustentación (CDi=CL^2/PI*AR). Por lo tanto, es importante caracterizar el rendimiento de la punta de su ala en una envolvente representativa. Habrá un punto de cruce en CL bajas donde la punta del ala produce una penalización debido a las pérdidas viscosas y la resistencia aerodinámica.

2. Operar el análisis CFD en modo delta requiere que tenga una buena representación de la aeronave de referencia. Le sugiero que pruebe su metodología de modelado en un modelo de investigación común (CRM) representativo que tenga datos de túnel de viento disponibles para la validación. Los talleres de predicción de arrastre son útiles para esto ( https://aiaa-dpw.larc.nasa.gov/Workshop4/workshop4.html ) proporcionan geometría, cuadrículas, datos de túnel de viento y puede ver la propagación de predicciones CFD de otras partes. Si no puede obtener cifras razonables para la línea de base, sabe que su enfoque necesita trabajo.

3. Su comparación debe llevarse a cabo en condiciones de coincidencia de ascensores que no coincidan alfa. Esto se puede lograr realizando un barrido alfa para ambos modelos e interpolando o, dependiendo de su solucionador, puede permitir que alfa flote y establecer un CL fijo (esto es lo que hacemos).

4. La penalización del momento de flexión de la raíz del ala también es una consideración importante, ya que las cargas adicionales de una extensión de la punta del ala generalmente requieren un refuerzo adicional del larguero que, a su vez, agrega peso y reduce la ganancia de rendimiento.

5. Otra consideración es el momento adicional de cabeceo hacia abajo generado por su dispositivo de punta de ala. Como la punta está generando sustentación y está ubicada detrás del centro de gravedad de la aeronave, habrá un momento adicional de cabeceo hacia abajo. Esto tendrá que ser recortado por la aleta de cola horizontal, lo que incurrirá en una penalización de arrastre adicional que nuevamente reducirá su ganancia de rendimiento.

6. La eficiencia aerodinámica generalmente se expresa en términos de relación sustentación/resistencia. Me di cuenta de las imágenes de su modelo que está simulando solo el ala y el fuselaje, lo cual está bien, pero para el cálculo de L/D, debe tener en cuenta los componentes que faltan: plano de cola horizontal, plano de cola vertical, góndolas del motor, pilones del motor. Como el cálculo de sustentación sobre arrastre exige una división sobre el arrastre, esta operación no es lineal. La teoría de arrastre de placa plana se puede utilizar para estimar la contribución de arrastre de los componentes que faltan. Esto hará que el análisis de rendimiento sea más representativo de una configuración de aeronave completa.

7. Las características de manejo también son un área importante a considerar, por ejemplo: sacudidas, comportamiento de pérdida, respuesta de guiñada, etc. Esa es un área muy grande en la que entrar, ¡así que no lo haré!

De todos modos, puede ver en la breve lista anterior que hay muchas consideraciones que deben tenerse en cuenta para una tecnología de punta de ala viable.

Espero que esto ayude, ¡sigan con el buen trabajo!