¿Por qué las alas en flecha disminuyen el aumento de la resistencia que se produce en los flujos transónicos?

Las ondas de choque se forman donde el aire ya no puede "salir del camino" y comienza a comprimirse.

El barrido del ala aumenta efectivamente la cuerda y reduce la tasa de aumento del grosor del ala a medida que el flujo de aire se mueve a través de él, esencialmente haciendo que el cuerpo sea más largo y más "aerodinámico". En lugar de correr hacia una colina empinada y comprimirse, puede fluir sobre una barrera de pendiente más suave con mayor facilidad.

Lo que es más interesante es la disminución de la resistencia del barrido de 47 grados en subsónico alto. A medida que aumenta el barrido, el flujo de aire sobre el ala puede pasar del flujo frontal clásico al flujo posterior visto en las alas rectas al flujo de aire desviado "en el sentido de la envergadura" de las alas en flecha a los vórtices ondulantes que se ven en las alas "delta delgadas" de gran barrido.

Con alguna combinación de velocidad y barrido, el flujo de aire formará un vórtice en lugar de lavar la parte posterior o el extremo del ala. Puede ser que, a velocidades subsónicas más altas, con un mayor barrido, los vórtices rueden hacia la parte trasera del ala y empujen la aeronave hacia adelante.

Se ha pensado que ocurre lo mismo debajo de las delgadas alas con cámara inferior, lo que puede ayudar a explicar algunas de sus propiedades "mágicas" de vuelo lento. Definitivamente vale la pena estudiar.

Hasta 11 y 35 grados de barrido, siguen patrones predecibles basados ​​en efectos de compresión a velocidades transsónicas, al igual que la regla del área.

¿Las alas en flecha son mejores para romper la barrera del sonido? En realidad no, como demostró el X-1. Pero retrasan significativamente la resistencia transsónica a altas velocidades subsónicas.

Consideremos un ala barrida infinita con un ángulo de barrido$\Lambda$. Podemos dividir la velocidad de flujo libre ($V_\infty$) en dos componentes: la componente perpendicular al barrido ($V_{\perp}$) y la componente paralela al barrido ($V_{||}$). Del mismo modo, dividiremos el campo de velocidad de la capa límite exterior alrededor del ala ($V_e$) en la componente perpendicular ($u_e$) y componente paralela ($w_e$).

Gráfico citado de Drela, Flight Vehicle Aerodynamics .

Debido al intervalo infinito, las cantidades de flujo a lo largo de la coordenada de barrido ($z$) debe ser invariante. Por lo tanto, el flujo paralelo al barrido del ala ($w_e$) también debe ser invariable e igual a la componente freestream ($V_{||}$) en todos lados.

Suponiendo que el flujo fuera de la capa límite contiene solo choques débiles y, por lo tanto, es isentrópico (excepto en el choque), podemos usar la relación isentrópica para relacionar el campo de presión y el campo de velocidad. Aquí, todo con subíndice$_e$denota cantidades de flujo fuera de la capa límite:

dónde$h$es entalpía,$p$es presión,$M$es número de Mach,$\gamma$es la relación de calores específicos.

Observe que el flujo paralelo al barrido del ala no tiene relación con el campo de presión; es como si cada sección del ala solo viera el flujo perpendicular. Lo mismo ocurre con Mach 2D efectivo ($M_\perp$), que es una reducción neta del flujo libre Mach ($M$) por un factor de$\cos\Lambda$. Dado que una reducción en Mach reduce la fuerza de choque normal en la sección 2D, o incluso elimina el choque por completo, conduce a una reducción en la resistencia de la onda en comparación con la ausencia de barrido.

A continuación se muestra la curva de arrastre 2D frente a Mach para NACA 0012 de la solución de Euler. El choque local es obvio a partir de 2D de flujo libre Mach 0.65. Esto demuestra que la disminución del Mach 2D efectivo reduce la resistencia aerodinámica general del ala a través del barrido.

Gráfico citado de http://aerodesign.stanford.edu/aircraftdesign/drag/dragrise.html .

En un ala de envergadura finita, habrá gradiente en$w_e$que conducirá a la variación del flujo a lo largo del tramo. Sin embargo, el principio de reducción de la resistencia de las olas a través del barrido del ala se aplica fácilmente.