¿El ala 3D tendrá menor arrastre que el 2D con el mismo AoA y velocidad de flujo de aire?

Resumen

Con un número de Reynolds relativamente alto (> 1 millón) y en flujo adjunto, donde la capa límite es delgada, el ala 3D siempre debe tener una resistencia general mayor que un perfil aerodinámico 2D (intervalo infinito), en el mismo ángulo de incidencia de flujo libre.

¿Por qué?

La corriente descendente generada por los vórtices de arrastre es en realidad muy pequeña en comparación con la velocidad aerodinámica de flujo libre; por lo tanto, la reducción del AOA efectivo también es muy pequeña.

Esto se traduce en tres efectos:

1. Reducción de la sustentación debido a la inclinación. Este efecto es extremadamente pequeño, ya que el coseno de un ángulo pequeño es esencialmente la unidad.

2. Reducción en la sustentación y arrastre de presión debido a un AOA efectivo más bajo. La reducción en la sustentación es pequeña pero definitivamente no despreciable. Para el flujo no separado alrededor de un perfil aerodinámico, la resistencia a la presión general es muy pequeña para empezar, por lo que la reducción es aún menor.

3. Creación de arrastre inducido debido a la inclinación del vector de sustentación. Este es el principal, ya que el seno de un ángulo pequeño produce un factor lineal no despreciable. Por ejemplo, si el coeficiente de elevación local,$C_l$, es 0.4, y tenemos una disminución efectiva en AOA de 1.0 grados, entonces$C_l\cos{\frac{1.0\pi}{180}}\approx 0.9998C_l\approx0.4$, mientras que el coeficiente de arrastre inducido local,$C_{d_i}$, es$C_l\sin{\frac{1.0\pi}{180}}\approx0.0175C_l=0.007$.

Por cierto, el arrastre polar que citaste no ayuda a tu argumento, ya que es para todo el ala (con una relación de aspecto de 6). Lo que realmente quiere citar es el arrastre aerodinámico (de Airfoil Tools ):

Como puede ver, el arrastre de forma (incluido el arrastre de presión) es una pequeña parte del arrastre 3D general con una relación de aspecto de 6, en el rango de elevación lineal. El aumento de la resistencia a la presión es aún menor.

Apéndice:

Según sus comentarios, parece que se ha perdido por completo el punto sobre la resistencia inducida. La resistencia inducida está completamente ausente en 2D. De hecho, si asume que el flujo no es viscoso y no tiene un flujo supersónico local, tiene cero arrastre en cualquier perfil aerodinámico 2D. Esto se llama la paradoja de d'Alembert .

Como se mencionó anteriormente, la resistencia inducida aparece en el flujo no viscoso 3D debido al tramo finito y la corriente descendente inducida.

El ala 3D tiene más arrastre ya que considera que se forman vórtices en la punta del ala, lo que crea más arrastre. Pero en el caso del ala 2D, se supone que el ala es un ala infinita. Aerodinámicamente , el efecto de los vórtices de arrastre reduce la pendiente del coeficiente de sustentación frente a la curva del ángulo de ataque. Como resultado, el coeficiente de sustentación es mayor en el ala 2D que en el ala 3D para el mismo AoA.