¿Por qué una configuración limpia conduce a la generación de mayores vórtices en las puntas de las alas?

De hecho, asumiría que lo contrario es cierto.

Supongamos que la intensidad del vórtice y la resistencia inducida están directamente correlacionadas. El coeficiente de arrastre inducido se puede expresar como:

$c_{Di}=\frac{c_L^2}{\pi\cdot AR \cdot e}$

• $c_L$: Coeficiente de sustentación
• $AR$: relación de aspecto del ala
• $e$: El llamado factor de Oswald , un número que es igual a uno para las distribuciones de sustentación elíptica. Disminuye para distribuciones que se desvían de la elíptica.

La mayoría de los diseños de alas tienen como objetivo lograr una distribución de sustentación de tipo elíptico para minimizar la resistencia inducida en una configuración limpia .

A medida que se despliegan flaps, spoilers, air-breaks, etc., la distribución de sustentación se desviará sustancialmente de la elíptica (ver diagrama), reduciendo así la$e$y aumentando la resistencia inducida. Si la primera suposición aún se mantiene, un aumento en la resistencia inducida habrá sido causado por un aumento en la intensidad del vórtice.

Además, se pueden lograr coeficientes de elevación significativamente más altos con dispositivos de gran elevación desplegados, que también contribuyen a aumentar la intensidad del vórtice.

¿Qué causa los vórtices de las alas? Cuando el ala produce sustentación, hay una presión de aire más alta debajo y una presión de aire más baja encima. En la punta del ala, el aire de alta presión cambia al aire de baja presión, y esto crea el elemento de rotación del vórtice, como se describe en este artículo. Cuanta más sustentación se genere en la punta del ala, más fuerte será el vórtice.

La sustentación aerodinámica es un producto del coeficiente de sustentación, la densidad del aire, la velocidad del aire y el área del ala. Para velocidades subsónicas: L =$C_L$* ½ * ϼ *$V^2$* A. ¡Solo el factor ½ en esta ecuación es una verdadera constante! Tenemos una ecuación con cinco variables, así que echemos un vistazo a qué varía cuándo.

Contrariamente a nuestro primer instinto, el área del ala no es una constante. Los aviones modernos tienen flaps Fowler en el borde de fuga, que se extienden hacia afuera y aumentan el área del ala, además de cambiar la curva del ala, lo que aumenta el coeficiente de sustentación en un AoA determinado. Así que ahí está la primera parte de nuestra respuesta: con los flaps desviados tenemos más área del ala para producir una determinada cantidad de sustentación, por lo tanto, se requieren presiones de aire más bajas y, por lo tanto, menos cambios de aire en la punta del ala :).

La segunda parte de nuestra respuesta también tiene que ver con los flaps. La distribución de sustentación elíptica solo es posible cuando la punta del ala tiene cero AoA, una situación diseñada para ocurrir en crucero. Una configuración de ala limpia está diseñada para la condición de crucero, donde hay mucha velocidad aerodinámica para generar sustentación y queremos mantener la resistencia inducida al mínimo. Esta misma ala limpia es muy poco adecuada para producir la misma cantidad de sustentación a la velocidad de aterrizaje más baja posible.

CL es una función del ángulo de ataque y de la forma del ala. La respuesta con el gráfico de CL muestra CL en alfa constante en función de la desviación del flap. Un gráfico de CL con una deflexión constante de los flaps en función de alfa mostraría relativamente más sustentación generada cerca de la punta del ala, y ahí es donde se generan los vórtices del ala. Los flaps están ubicados más hacia el interior, lo que significa que cuando se desvían, una mayor parte de la fuerza de sustentación se genera lejos de la punta del ala.

He visto que se usan ambas razones para explicar esto, y probablemente ambas contribuyan a ello, pero en mi entrenamiento de CPL me enseñaron que la razón es que un avión no limpio (y recuerde que esto incluye tren de aterrizaje, alerones, listones , etc.) provoca que se altere el flujo de aire, lo que reduce la generación de vórtices. La declaración siempre se hace refiriéndose a 'limpio', no a 'aletas retraídas'.

La pregunta también surgió en Quora , y aparecieron dos respuestas, una con el razonamiento que di y otra usando el concepto AoA aumentado.

No estoy seguro de que todo sea tan simple y obvio con respecto a las aletas y el equipo.

En realidad, con los flaps tenemos al menos cuatro puntos para la generación de vórtices: en las puntas de las alas y en los bordes exteriores de los flaps, y se pueden mezclar entre sí. La respuesta de la FAA/EASA parece basarse en la siguiente investigación de la NASA y tiene en cuenta la combinación de vórtices en las puntas de las alas con vórtices de flaps/engranajes y un debilitamiento más rápido de la fuerza total del vórtice. Supongo que realmente tiene sentido: los aviones en configuración limpia generan vórtices "tradicionales" bastante bien estudiados, mientras que los aviones en configuración de aterrizaje generan flujos turbulentos interferidos mucho más complicados. Es muy difícil decir cuál es más fuerte y más peligroso.

Se puede encontrar un hilo muy interesante sobre el tema en PPRuNe , con buenas imágenes de situaciones totalmente confusas cuando el vórtice del ala izquierda se disipa, mientras que el derecho permanece estable y estrecho.

Y aquí hay una investigación más sobre estela turbulenta con resultados interesantes.