¿Cómo reducen los insectos el rendimiento de las aeronaves?

Tienes razón, los insectos son muy pequeños, por lo que influyen en las cosas que suceden en su escala. El único fenómeno importante en un avión comercial que tiene la escala de los insectos es la capa límite , la capa de aire alrededor de todas las superficies mojadas donde la velocidad del aire cambia de cero (en relación con el avión) a la velocidad que tiene a cierta distancia. Esto se llama la capa límite. Su espesor cambia de cero en el punto de estancamiento a varios centímetros al final de un fuselaje largo.

¿Cómo es la capa límite?

En el borde de ataque, la capa límite comienza con un espesor de cero. Ahora, la fricción con el ala hará que algunas moléculas de aire se desaceleren, y pronto obtendrá una lámina de aire en la que las moléculas más cercanas a la piel del avión se moverán con la piel, y cuanto más se aleje de la piel, menos se ralentizan. Inicialmente, las capas de aire dentro de la capa límite no muestran ningún movimiento cruzado de moléculas. Compárelo con una carretera de varios carriles con tráfico de parachoques a parachoques donde ningún automóvil cambia de carril. Dado que todas las moléculas se mueven a lo largo de su capa de aire, esto se llama flujo laminar (lat. lamina = capa).

En algún momento se desarrollarán oscilaciones aguas abajo y, una vez que se vuelvan inestables, las moléculas se moverán entre las capas de aire. Ahora tienes las más rápidas de las capas más distantes moviéndose más cerca de la piel y pateando a las lentas que están adelante, y las más lentas de las capas cercanas a la piel alejándose, ralentizando las capas más distantes. Ahora los autos en su carretera de varios carriles se cruzan, y el resultado es que todos los carriles, excepto el que está más a la derecha, se moverán a una velocidad similar. Dado que el flujo cruzado es el resultado de la turbulencia, esta capa límite se denomina turbulenta.

Perfiles de velocidad de las capas límite laminar (izquierda) y turbulenta (derecha). Fuente de la imagen .

Consecuencias para el arrastre

El flujo cruzado hace que la capa límite turbulenta tenga un gradiente de velocidad mucho más pronunciado en el revestimiento de la aeronave, lo que genera mucha más resistencia al avance por fricción. Al mismo tiempo, se toma más energía del flujo debido a la fricción, por lo que toda la capa límite se vuelve más gruesa. Si observa el arrastre por fricción local, los gráficos de parámetros que XFOIL hace posible son bastante esclarecedores.

Arrastre por fricción sobre cuerda para un perfil aerodinámico E502mod a 3° AoA. Azul: superficie superior, rojo: superficie inferior.

La gráfica muestra la fricción sobre la cuerda para un perfil aerodinámico con un ángulo de ataque de 3°. Todo el flujo está adjunto (salvo por una pequeña burbuja de separación en la parte inferior cerca del punto de transición). ¿Puedes identificar los puntos de transición de flujo laminar a turbulento? Sí, es donde el arrastre por fricción salta hacia arriba y permanece irritantemente alto río abajo. Tenga en cuenta que el flujo alrededor del ala de un avión comercial ocurre en un número de Reynolds mucho más alto , por lo que los puntos de transición están más cerca del borde de ataque que en el gráfico anterior. Elegí el Número de Reynolds bajo en la gráfica anterior porque muestra el fenómeno más claramente.

¡Pero también ves un pico de fricción en la nariz! Esto es causado por el espesor muy pequeño de la capa límite joven. Aunque es laminar, muestra una alta contribución de fricción simplemente porque todavía es muy delgado. Ahora imagine que tiene ambos efectos, una capa límite delgada y la mayor fricción de una capa límite turbulenta, sumados. ¡Esto es lo que te darán los errores en el borde de ataque del ala! Hacen que la superficie del ala sea áspera y aumentan las pérdidas por fricción debido a una transición temprana de la capa límite al flujo turbulento.

Consecuencias para la elevación máxima

Pero también hay un segundo efecto: cuanto más se desarrolla la capa límite, más pierde el flujo la capacidad de disminuir la velocidad y aumentar la presión hacia el borde de salida. La energía de un flujo es la velocidad o la presión, pero si la fricción agota la energía del flujo, no queda nada de ambos cuando se necesita negociar la última mitad de la forma del ala. El flujo se separará antes si ha sido turbulento desde el principio, y el ala se detendrá en un ángulo de ataque más bajo. Esta es la segunda consecuencia negativa de los insectos en un ala. Se puede mitigar con un diseño cuidadoso del perfil aerodinámico, pero entonces este perfil aerodinámico mostrará un rendimiento más bajo sin errores.

Los pilotos de planeadores lo saben muy bien, especialmente aquellos que volaron aviones que utilizaron el perfil aerodinámico Wortmann FX 67-170 . Tenía una excelente L/D sin bichos, pero tanto la lluvia como los bichos convirtieron el avión en algo parecido a un ladrillo. Una vez volé un Janus B hacia una ducha y la velocidad mínima aumentó de 80 km/h a 110 km/h. Unos segundos de vuelo a mayor velocidad limpiaron el ala, pero luego llegó el momento de aterrizar, porque había perdido mucha altitud.

El problema aquí no es la masa o el peso adicional, sino el flujo de aire perturbado sobre las alas. Los términos clave aquí son flujo laminar y flujo turbulento.

La siguiente imagen muestra un flujo laminar y turbulento normal sobre un ala. Con insectos u otra suciedad en el borde de ataque, la transición ocurrirá más cerca del frente, lo que provocará una disminución en el rendimiento.

^{(Fuente de la imagen: www.allstar.fiu.edu)}

La NASA también ha realizado algunas investigaciones:

Cualquiera que haya conducido a través de una nube de insectos sabe cuán rápido se acumulan las tripas de los insectos en el vehículo, causando problemas de visibilidad, obstruyendo la entrada de aire y el radiador, y arruinando el acabado exterior del automóvil.

El problema de un avión es que su diseño aerodinámico está diseñado para que el aire se mueva muy suavemente por el cuerpo y las superficies de las alas, lo que se denomina flujo laminar. Cuando hay una interrupción en ese flujo laminar, como la acumulación de partes muertas de insectos, se induce lo opuesto al flujo laminar, que es la turbulencia.

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Encontrar formas de mantener el flujo laminar en todas las fases del vuelo es un gran problema para la comunidad de la aviación porque podría ahorrar millones en costos de combustible, al tiempo que reduce la cantidad de emisiones nocivas liberadas a la atmósfera.