¿Cuál es la motivación aerodinámica detrás de los generadores de vórtice?

Tiene razón en que los generadores de vórtices crean resistencia, por lo que una instalación exitosa depende de reducir aún más alguna otra resistencia. La separación del flujo de aire provoca una resistencia significativa que los generadores de vórtices pueden reducir. La energía consumida por los generadores de vórtices que generan arrastre se inyecta en la capa límite, lo que retrasa la separación del flujo de aire y la eventual pérdida, lo que podría ser aún más valioso. A menudo se utilizan para corregir características de vuelo deficientes en un diseño existente. La ilustración de un ala que se detiene es fácil de entender, pero puede que no sea el mejor uso de los VG, ya que pocas alas vuelan continuamente al borde de la separación.

No. El vórtice ayuda a mantener adherida la capa límite, por lo que se crea sustentación durante más tiempo a medida que el avión reduce la velocidad y el ala se inclina hacia arriba y hacia atrás para aterrizar.

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Solo tuercen el flujo en una pequeña región justo por encima de la superficie del ala, mientras que una parte sustancial de la sustentación general en realidad es producida por un enorme paquete de aire muy por encima del ala que es inducido a moverse hacia abajo. Se podría decir que tienen una especie de efecto catalítico beneficioso mucho mayor que su coste.

Sí, se consume energía al crear el vórtice, pero eso generalmente se compensa con la reducción de la resistencia de la mejora general del flujo lograda (pueden estar girando, pero el aire girando es mucho más ordenado que la turbulencia aleatoria). Por lo general, los VG se usan en áreas locales para ayudar a volver a unir el flujo separado, pero el mejor ejemplo de esto es la popularidad de los VG que se usan como un "listón del pobre" a lo largo de los bordes de ataque del ala.

Cuando los aviones tienen kits VG instalados en los bordes de ataque, aumenta el AOA de pérdida un poco menos de la mitad de lo que se obtiene con un slat o una ranura, lo que no está mal para una fila de pequeñas pestañas de metal. Desde aproximadamente 14-16 grados para la mayoría de las superficies aerodinámicas hasta quizás 19-21 grados (números aproximados para ilustración). En muchos aviones ligeros, esto es bueno para una reducción de aproximadamente 4-6 mph en la velocidad de pérdida indicada. En los VG gemelos livianos, también se puede reducir la velocidad mínima de control hasta cerca o incluso por debajo de la pérdida, una gran característica de seguridad. También tienden a mejorar drásticamente el comportamiento de pérdida.

Uno pensaría que los VG de vanguardia vendrían con una penalización considerable de la velocidad de crucero, pero por lo general la penalización es insignificante, si es que la hay, porque hay una pequeña reducción de arrastre debido a la reducción de la turbulencia separada del flujo en el crucero que compensa la energía utilizada para crear los vórtices. . En el peor de los casos, tal vez un gemelo ligero con VG verá un golpe de 3 mph en la velocidad de crucero, pero los beneficios de seguridad son demasiado grandes para que esto importe.

Voy a complementar las respuestas anteriores sobre VG. Las tres respuestas anteriores muestran un hecho:

• Con un ala diseñada, el ángulo de pérdida se puede reducir y también se puede aumentar la sustentación máxima.

La motivación real para usar VG es la solución general más eficiente. Su razonamiento es correcto, un VG está introduciendo resistencia y, para un ángulo de ataque dado, un ala menos aerodinámicamente eficiente.

Sin embargo, tomemos el problema desde una perspectiva diferente. Tengo un avión que estoy diseñando y tengo varios parámetros de diseño, imagina que una de las restricciones del diseño es que, por ejemplo, necesitamos poder levantar el avión con un peso determinado, pero ese punto es no el punto nominal, es solo un punto de diseño en el sobre para el que debe diseñar.

Esencialmente, a nivel de diseño, verá cuál es la elevación máxima que puede generar y multiplicar por la superficie y la presión dinámica. La presión dinámica estará dada por el punto de diseño, y sus parámetros de diseño serán la superficie del ala y la sustentación máxima.

Entonces... está interesado en optimizar la condición de crucero... obviamente intentará hacer que ese ala, para la sustentación dada de la condición de crucero, tenga la menor resistencia posible.

Esto lo lleva a una compensación, ¿qué proporcionará menos resistencia, una superficie adicional o un conjunto de VG? Dada esta compensación, tiene la instalación o no de VG.

Esencialmente, utilizará las capacidades energizantes de los VG cuando haya una compensación en una condición específica. Le he descrito una condición que es dimensionar el tamaño de un ala (típico del plano de cola), pero también puede consultar esta pregunta donde se discute otra condición específica relacionada con la góndola del motor.