Diseño de aletas y selección de perfiles aerodinámicos

Actualmente estoy en el proceso de diseñar un winglet para mi avión de baja velocidad en xflr.

Mientras investigaba sobre los winglets, leí en un artículo de Boeing que si el ala exterior de referencia tiene una carga relativamente ligera, como en el 747-200, el beneficio potencial de los dispositivos de punta puede reducirse considerablemente. No entiendo la lógica detrás de esta afirmación.

Además, ¿cuál sería la selección óptima de perfil aerodinámico para el winglet? ¿Cómo afectaría la cuerda, el grosor, la inclinación, etc., la reducción del peso y la resistencia aerodinámica debido a la aleta?

¿Y el giro geométrico afectaría el rendimiento del winglet?

Cualquier otro consejo para el diseño de aletas sería muy apreciado.

Una punta de ala altamente cargada hace que el vórtice de la punta sea más fuerte. La rotación del vórtice hace que la dirección aparente del viento en la punta mire hacia adentro. El winglet apunta hacia este viento, lo que permite que su vector de sustentación gire ligeramente hacia adelante, lo que genera empuje o reduce la resistencia, lo que prefiera. Una punta de ala ligeramente cargada crea un vórtice débil, lo que reduce el efecto de la aleta. Diseñar uno es tan complejo como diseñar un ala, así que dejaré que alguien más lo haga desde aquí.
@Pilothead Lo tienes exactamente correcto, con una pequeña objeción. Sí, hacen el empuje igual que la vela de un velero. Es por eso que originalmente se les llamó "tipsails". Sin embargo, si bien se ajustan para optimizar el AOA, el vector de sustentación en sí mismo es una función del ángulo hacia adentro del flujo de la punta, siendo la sustentación a 90 grados del flujo de aire, no del AOA. Casi nadie menciona el aspecto de "vela" de un winglet, solo que hay una misteriosa reducción de la resistencia.
@JohnK: Tiene razón sobre la analogía de la vela, sin embargo, esta es solo una manifestación diferente del efecto que tiene un ala en el flujo. Extiende el gradiente de vorticidad para que el vector de sustentación esté menos inclinado hacia atrás (lo que es casi equivalente a decir que el winglet contribuye con un componente inclinado hacia adelante, ¿verdad?).
@Zaber: su información es correcta. De hecho, algunas aerolíneas japonesas que experimentaron con winglets descubrieron que no había ahorro de combustible (incluso posibles pérdidas) en rutas de corta distancia dentro de Japón. Para ser eficientes, los winglets deben estar "ajustados" para una velocidad y carga específicas.

Respuestas (2)

Los comentarios explican bien la lógica detrás de un winglet, por lo que me centraré en las preguntas restantes:

¿Cuál sería la selección óptima de perfil aerodinámico para el winglet?

Como primera regla general, continúe con el perfil aerodinámico del ala. Un winglet combado será más eficiente, porque los winglets solo son beneficiosos si producen sustentación. ¿Cuánto cuesta? Esto depende de la relación entre la cuerda de la punta del ala y la cuerda de la raíz de la aleta. Idealmente, no debería haber interrupción en la distribución de la circulación a lo largo de la envergadura, por lo que el producto de la cuerda local del ala y el coeficiente de sustentación local debería ser el mismo en la transición y disminuir hacia la punta de la aleta.

¿Afectaría el giro geométrico al rendimiento del winglet?

Sí: la incidencia debe elegirse de manera que el coeficiente de sustentación deseado se reduzca en el punto de operación (que es la condición de crucero en el caso de los aviones comerciales). Twist solo será necesario cuando la forma en planta difiera mucho de la distribución elíptica. Cuando vuele con una carga alar alta (nuevamente, tal como lo hacen los aviones comerciales), asegúrese de incluir los efectos de la deformación aeroelástica: pueden ser bastante severos alrededor de las puntas de las alas en crucero.

Daré una respuesta parcial. Lo que dicen está relacionado con el hecho de que el empuje generado por el winglet solo es lo suficientemente alto como para superar su propia penalización por arrastre cuando el ala produce fuertes vórtices. Los vórtices son más fuertes a medida que te vuelves más lento y el AOA aumenta. Hay algún punto de cruce a medida que acelera donde los vórtices debilitados no producen más empuje que la propia resistencia aerodinámica del winglet y ya no producen un beneficio neto.

El resultado es que solo valen la pena en un avión que navega "lentamente" desde una perspectiva de velocidad aerodinámica indicada. Por lo general, los aviones que navegan a velocidades aerodinámicas indicadas bajas son aquellos que navegan por encima de los 30 000 pies, donde pueden estar volando solo al doble de pérdida o un poco más. Esta es la razón por la que, por regla general, solo se ven winglets en los aviones a reacción (sí, hay excepciones, pero no muchas, y las extrañas puntas de las alas en el bombardero de agua Draggy Slug CL-415 no son winglets en absoluto).

Solo colocaría un winglet en un avión de baja velocidad si su velocidad de crucero prevista está cerca de su mejor L/D, como un planeador.

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