¿Se pueden reducir/eliminar los vórtices en la punta del ala con una hélice orientada hacia atrás cerca de la punta del ala?

Sí. Desde un punto de vista aerodinámico, tiene sentido usar el vórtice de la punta del ala en combinación con una hélice.

En este artículo de Sinnige et al. , los investigadores modelaron y probaron una hélice en varias posiciones a lo largo de un semispan, y llegaron a la conclusión de que se podían obtener beneficios reales debido a la mayor eficiencia del tramo. Se midió hasta un 15 % menos de resistencia cuando la hélice se colocó en la punta del ala en comparación con un montaje convencional:

Al colocar la hélice en la punta del ala, la estela interactúa con el flujo alrededor de la punta del ala, lo que afecta el comportamiento de enrollamiento y corriente abajo del vórtice de la punta del ala. Las mediciones de PIV aguas abajo de un modelo de hélice-ala mostraron que esto conduce a una reducción en el remolino general con rotación hacia adentro, para lo cual el remolino en la estela es opuesto al asociado con el vórtice de la punta del ala. Al mismo tiempo, se encontró que el rendimiento del sistema mejoró debido a una reducción de la resistencia inducida por el ala, lo que llevó a la conclusión de que la disminución del remolino provoca una reducción en la corriente descendente experimentada por el ala.

Además del cambio en la resistencia, la interacción del ala con la estela de la hélice también modifica la sustentación del ala. La presión dinámica mejorada localmente aumenta la sustentación sobre la parte transversal del ala bañada por la estela, que se amplifica por el remolino inducido para el caso con rotación hacia adentro. Como resultado, se produce una fuerte variación de sustentación a lo largo de la envergadura con la hélice encendida. Las velocidades inducidas causadas por este gradiente de sustentación conducen a un corte transversal de la estela. Con la rotación hacia arriba, el remolino en la estela actúa para oponerse localmente al aumento en la sustentación del ala debido al aumento de la presión dinámica inducida por la hélice. En comparación con el caso de rotación hacia adentro, esto conduce a una reducción en la sustentación del ala en un ángulo de ataque dado, por lo tanto, también a una reducción en el coeficiente de sustentación máxima. Además,

Para cuantificar los posibles beneficios aerodinámicos de la configuración montada en la punta del ala, se realizó una comparación directa con una configuración convencional, con la hélice montada en la parte interior del ala. El aumento en la sustentación del ala debido a la interacción con la hélice fue de 1 a 4 % menor para la configuración montada en la punta del ala que para la configuración convencional. Para este último, la presión dinámica mejorada y el remolino en la estela actúan sobre el doble de la extensión del tramo y en una parte del ala donde la elevación de la sección es más alta que para la configuración montada en la punta del ala. En ángulos de ataque más altos, la ventaja de sustentación para la configuración convencional podría mejorarse aún más mediante el aumento del ángulo de ataque local en la proximidad de ambos lados de la góndola.

En términos de rendimiento de resistencia, por otro lado, la configuración montada en la punta del ala mostró un rendimiento superior. Con un coeficiente de sustentación del ala de$C_L = 0.5$y un coeficiente de empuje de$0.09 < C_T < 0.13$, la reducción de la resistencia ascendió a alrededor de 15 a 40 cuentas (5 a 15 %) en comparación con la configuración convencional. El beneficio aerodinámico de la configuración montada en la punta del ala aumenta aún más con el aumento del coeficiente de sustentación del ala y el coeficiente de empuje de la hélice, lo que lleva a una reducción de la resistencia aerodinámica de 100 a 170 conteos (25 a 50 %) en$C_L = 0.7$y$0.14 < C_T < 0.17$. Un análisis del rendimiento del ala confirmó que este beneficio de resistencia se debe principalmente a una reducción de la resistencia inducida por el ala. En comparación con la configuración convencional, se midió un aumento relativo en la eficiencia de la envergadura de hasta un 40 % para la configuración montada en la punta del ala. Aunque el beneficio de arrastre exacto será específico para el diseño del vehículo y las condiciones de operación, se concluye que la interacción entre la estela de la hélice y el vórtice de la punta del ala conduce a una clara reducción de la resistencia para la configuración montada en la punta del ala.

Tenga en cuenta que esto es puramente aerodinámico, por supuesto, y desde un punto de vista estructural, las cosas podrían no ser tan claras. Si bien el peso en las alas ayuda a aliviar las tensiones de flexión generadas por la sustentación, una gran masa en la punta puede reducir la frecuencia propia de la primera flexión a niveles inaceptables, con el riesgo de que las oscilaciones del ala se acoplen con algún otro modo en vuelo o en tierra.

Por lo que sé, los tanques de combustible en las puntas de las alas se han utilizado principalmente en alas con una relación de aspecto relativamente baja, lo que da cierta credibilidad a la magnitud de este problema.

Eliminar, No. Los vórtices de las puntas de las alas son parte inherente de la generación de sustentación . No hay sustentación sin vórtices en las puntas de las alas . Los vórtices de estela transportan el impulso que se le dio al aire para producir la sustentación, y para cancelarlos, tendrías que darle al aire el impulso opuesto, lo que anularía la sustentación producida. Consulte ¿Cómo forma una aeronave una estela turbulenta?

Mejorar la eficiencia, sí, un poco. Las hélices causarían una corriente descendente en su envergadura fuera de las puntas de las alas, lo que extendería efectivamente la envergadura del ala y una envergadura más larga significaría una resistencia levemente menor inducida.

Sin embargo, tal diseño tendría un manejo extremadamente pobre con un solo motor, no solo porque el empuje se volvería muy asimétrico, sino también porque la sustentación dependería parcialmente de los motores y, por lo tanto, el lado con el motor parado también perdería algo de sustentación, y el alerón deflector compensar generaría más resistencia para hacer que el empuje sea aún más asimétrico. Y también tendría un rendimiento deficiente con todo el motor debido a la pérdida de sustentación. No parece un enfoque óptimo cuando se pueden obtener beneficios similares sin todos estos problemas mediante el uso de alas más largas.

Los vórtices de las puntas de las alas transportan algo de energía, y no dejarla atrás parece una buena idea. Es por eso que los winglets son una cosa, después de todo.

Entonces, ¿qué pasa si pones una hélice en la punta del ala, alineando el eje con el núcleo del vórtice? La hélice "vería" la vorticidad entrante y las palas obtendrían incidencias locales más grandes en consecuencia, generando así más fuerza hacia adelante, un poco como poner paletas guía delante de ella. Alternativamente, la hélice podría girar un poco más lento o reducir un poco la incidencia de las palas para volver a empujarla donde estaba. El remolino que produce la hélice se reduciría en consecuencia, por lo que en general habría menos vorticidad y remolino en el flujo detrás de la aeronave.

Todo eso suena bastante bien hasta ahora.

Sin embargo, hay algunos inconvenientes, de menor a mayor gravedad:

1: El vórtice wintip es bastante fuerte en su núcleo, pero la velocidad angular se reduce rápidamente a medida que te alejas; esto significa que la sección más interna de tu hélice gana la mayor incidencia adicional, pero dado que también se mueve más lentamente y las palas son más gruesas, no produce mucho empuje de todos modos. Los bits exteriores no verán mucho efecto, ya que su propia velocidad circunferencial será mucho mayor que el vórtice en esa posición.

2: Al montar la hélice directamente detrás del ala, las palas atravesarán la estela del perfil del ala en el lado interior, donde el flujo de aire es significativamente más lento. En el peor de los casos, si el flujo en el ala se separa, las palas de la hélice podrían atravesar una zona significativa de "agua muerta", lo que significa menos empuje y más carga mecánica en las palas. También más ruido. La mayoría de las configuraciones de empujadores existentes tienen la hélice montada a cierta distancia del ala para reducir este efecto. Pero si hicieras eso con las hélices de empuje de punta de ala, reforzaría un problema aún peor...

3: El vórtice de la punta del ala no se alinea bien con el borde de salida de la punta del ala, y mucho menos con el eje de la hélice. Dependiendo de las condiciones de vuelo, el vórtice será más fuerte o más débil y, con una gran incidencia, se convierte en una hoja de vórtice manchada: imagine muchos pequeños vórtices liberados desde puntos a lo largo del borde exterior del ala, propagándose en dirección corriente abajo. Esto significa que, en muchas condiciones de vuelo, el vórtice no coincidirá realmente con la hélice, lo que disminuirá el efecto deseado, pero en otras condiciones, tendrá un vórtice fuerte y bien enfocado que golpeará la hélice en algún lugar descentrado. y el hecho de que las palas de la hélice giren provoca malas vibraciones, y también puede que se produzcan separaciones en las palas, lo que significa pérdida de empuje y un ruido horrible, junto con tener que reforzar todo el tren de transmisión (o enfrentar un desgaste mucho mayor). Podrías hacer una hélice aerodinámicamente más robusta para tales cosas, pero eso siempre se logrará a expensas de la eficiencia, y eso es lo que nos propusimos ganar en primer lugar...

Para empezar, las hélices de empuje no son muy eficientes (porque poner toda la aeronave en el remolino que proviene de la hélice es aún más eficiente que exponer la hélice a la estela de la aeronave), y se usan principalmente por razones de estabilidad (Esto tiene que ver con el momento de cabeceo y guiñada producido por una hélice en flujo inclinado), por lo que aunque alinear una hélice con un vórtice, de forma aislada, tiene sentido, hay demasiados efectos reales que impiden que esto mejore la eficiencia en comparación con una hélice anterior normal. .

Entonces, ¿no podemos hacer nada con ese vórtice?¡Oh, sí, puedes! Puede colocar un ala pequeña dentro de la corriente ascendente justo fuera de la envergadura, también conocido como "aumentar la envergadura": más ala genera más sustentación, pero el vórtice no se vuelve más fuerte. Por eso los planeadores tienen alas tan largas y delgadas. O, si no puede hacer que el ala sea más larga (momento de flexión de la raíz del ala demasiado grande, restricciones de tamaño...), ¡agregue un poco en ángulo! El winglet vertical clásico funciona así: redirige el flujo hacia adentro por encima de la punta del ala para ir directamente río abajo, y esto produce principalmente una fuerza que mira hacia adentro pero también un componente que mira hacia adelante ==> esto significa que hace exactamente lo que la hélice puede hacer. 't hacerlo de manera eficiente, lo que está debilitando el vórtice y derivando un poco de fuerza hacia adelante de él. Estos días,

Doug MacLean tiene una gran sinopsis de los dispositivos de punta de ala que vale la pena leer y da una buena intuición de por qué las hélices podrían reducir, pero probablemente no eliminar, el vórtice de punta de ala.

Para resumir: el vórtice de la punta del ala (en realidad, la hoja de estela del vórtice enrollada), crea una corriente descendente en el ala que reduce efectivamente el ángulo de ataque del ala en relación con la corriente libre. Esta corriente descendente aumenta con la fuerza del vórtice de la punta del ala, que es proporcional a la sustentación del ala. El ángulo de flujo descendente inducido$\alpha_i$se puede dar de forma compacta como$\alpha_i = \frac{C_L}{\pi e AR}$.

Para compensar esta corriente descendente, el avión tiene que volar a un ángulo de ataque más alto para lograr cierta sustentación. Un componente del ascensor ($C_L\sin\alpha_i$) ahora apunta en la dirección de la corriente. Esto es arrastre inducido, y si el$\alpha_i$es pequeño se obtiene la expresión de arrastre inducido convencional$C_{D_i} = C_L\sin\alpha_i = \frac{C_L^2}{\pi e AR}$.

Entonces, ¿cómo cambia esto si agregamos otra fuente de vorticidad? No reducirá la sustentación del ala; la vorticidad generada por la superficie de elevación seguirá estando presente. Idealmente, para eliminar la resistencia inducida, nuestra nueva fuente de vorticidad tendrá el signo opuesto y la misma magnitud, para crear una corriente ascendente correspondiente en el ala, que rotaría el vector de sustentación hacia la dirección de la corriente libre.

¿Puede la hélice hacer eso? Vale la pena pensar de dónde viene la vorticidad (remolino) en la estela de la hélice. Swirl es la velocidad tangencial impartida a la estela; se debe esencialmente a pérdidas viscosas en las palas. Las hélices bien diseñadas intentan, entre otras cosas, minimizar este tipo de pérdidas. Si tuviera una hélice bien diseñada para proporcionar empuje hacia adelante, necesitaría poner una gran cantidad de energía para que las pérdidas viscosas contrarresten la totalidad del vórtice de la punta del ala; probablemente mucho más de lo que necesita para el empuje hacia adelante. En el ala típica de un avión de pasajeros, la fuerza de sustentación en crucero es algo así como 20 veces la fuerza de propulsión. Las pérdidas por remolino, como la vorticidad de la punta, son proporcionales al empuje producido por la hélice, que es un orden de magnitud menor que la sustentación del ala.

En teoría, podría diseñar una hélice para agregar más remolino a la estela, contrarrestando el vórtice de la punta de manera más eficiente. Pero esto reduciría la eficiencia de la hélice en la creación de empuje hacia adelante, por lo que es poco probable que proporcione un beneficio neto.

Como muestran las pruebas, hay algunos beneficios en el montaje de la punta del ala. No puede diseñar una hélice sin remolino, por lo que también podría obtener algo de crédito al colocarla en las puntas de las alas (si puede aceptar el peso y las compensaciones OEI asociadas con él). Pero no va a eliminar por completo (o incluso sustancialmente) la resistencia inducida.

TL: DR Los remolinos de hélice y los vórtices de punta de ala se deben a ineficiencias en los dos sistemas. Estas ineficiencias pueden cancelarse hasta cierto punto, pero ambas son proporcionales a la cantidad de fuerza que produce el ala/hélice. Dado que el ala está produciendo ~20 veces la fuerza de la hélice en crucero, dominará el efecto de su ineficiencia.

No puede evitar que se formen, pero en el caso de las palas del rotor, puede reducir los vórtices de las puntas hasta el punto de que casi desaparezcan cuando llegue la siguiente pala.