Ventaja aerodinámica de narices romas y POR QUÉ (subsónico)

En comparación con un morro cónico más afilado, un morro cónico más romo es aerodinámicamente superior en vuelos subsónicos. Mi pregunta es por qué. He leído mucho sobre esto y supuestamente:

  • Una nariz más roma acepta una gama más amplia de ángulos de ataque sin flujo de aire lateral a través de ella, lo que provocaría una resistencia adicional que se evita.

Parecería que los aviones comerciales tienen morros más romos porque vuelan en un rango más amplio de AOA y los planeadores tienen morros más afilados porque vuelan en un rango más estrecho de AOA. Sin embargo...

  • Con un AOA óptimo, la resistencia a la fricción de la forma y la piel también es menor. ¡No entiendo por qué!

De acuerdo con esto, un morro romo es aerodinámicamente superior incluso cuando se vuela con el AOA óptimo, pero entonces, ¿por qué los planeadores, que obviamente valoran la aerodinámica por encima de todo, siempre tienen morros relativamente afilados? De acuerdo con algunas descripciones, un casquete hemisférico es la forma óptima para disminuir el arrastre de forma y el arrastre por fricción de la piel, pero no he encontrado ninguna descripción de por qué lo primero es cierto y lo segundo a menudo está motivado por casquetes hemisféricos que tienen el área de superficie más baja para relación de volumen, pero una tapa cónica de igual altura tiene un área de superficie más baja en relación con el radio. En otras palabras, si tuviéramos que diseñar un nuevo avión, ¿por qué no afilaríamos el morro más cerca de un punto en lugar de embotarlo más cerca de un hemisferio, considerando únicamente la aerodinámica?

Editar: sí, esta es una pregunta única porque estoy preguntando por qué y específicamente por qué la fricción de la forma y la piel de una nariz más roma es menor que la de una nariz más afilada, lo que desafía la intuición.

Edición 2: básicamente, ¿por qué el n. ° 2 a continuación tiene menos resistencia que el n. ° 5? HornerDe acuerdo con la imagen (todavía tengo que leer la fuente, ¡estoy en ello!) Hay menos arrastre de presión, pero según una respuesta de aeroalias a una pregunta relacionada, hay menos arrastre de fricción: ¿Por qué/cuándo es la nariz roma ? ¿mejor? ¿Cuál es? ¿Ambos? ¿Cuál es el más relevante? ¿O ambos son irrelevantes en la realidad? La respuesta de Peter Kämpf no menciona ninguna de las alternativas, solo discute sobre el AOA y el punto de estancamiento.

No estoy seguro de si es un engaño, pero Aviation.stackexchange.com/questions/24414/… proporciona una explicación bastante buena.
La primera respuesta menciona mi primer punto anterior y la segunda respuesta menciona el segundo punto, pero escribe en el texto que el arrastre por fricción de la piel es menor mientras lo apoya con una imagen que dice que el arrastre de la forma es menor. El primero está respaldado por el argumento del área humedecida erróneamente y el segundo se establece como un hecho sin razonamiento (todavía tengo que leer a Hoerner). ¿Por qué el arrastre de la forma y el arrastre de la fricción de la piel de una nariz más roma (quizás incluso hemisférica) son más pequeños que los de una nariz más afilada (incluso con un AOA óptimo) y por qué los planeadores lo ignoran?
No es un duplicado. Esta pregunta establece la conciencia de la diferencia entre subsónico y supersónico. Es una pregunta bien formulada y no merece ser rechazada.
No voté negativo, para ser claros. Solo digo que la respuesta que vinculé proporciona una muy buena explicación que aclara parcialmente algunas preguntas conceptuales. Cualquier respuesta adicional en esta página debería al menos agregar a lo que explica @PeterKampf en su respuesta.
¡Gran trabajo de @Aerocurious consiguiendo la Figura 20! ¡Mira el primero! Aquí vemos las ventajas de una curva suave sobre los bordes afilados que se ven en el n.° 3 y el n.° 4. Todas las ventajas de la punta se pierden en el #4 debido a la brusca ruptura de la curva.
¡Mira la diferencia que hacen incluso los bordes ligeramente redondeados entre el n.° 3 y el n.° 6!
@Koyovis nadie ha rechazado esto. ¿A qué te refieres? tenga en cuenta también que los votos cerrados no son super-votos negativos.
@Federico. En el momento de mi comentario, hubo un voto negativo anónimo. ¿No entendiste eso?
@Koyovis (aparte del hecho de que todos los votos son anónimos) no, el sistema no me muestra eso y yo no estaba presente en el momento en que publicaste el comentario.
@Federico. OK, no hiciste la deducción. Eso es lo que pasaba.
Acerca de esa imagen: a) ¿Se supone que el primer coeficiente es realmente negativo? ----- b) el gráfico no muestra narices con puntas afiladas y paredes lisas, por lo que realmente no respaldan su pregunta: el n.° 2 y el n.° 4 difieren en la punta y la pared
Sí, leí la fuente y el primer coeficiente es en realidad negativo. Además, sí, desearía que la transición del cono afilado al cilindro fuera más suave aquí.

Respuestas (3)

Forma de la nariz en fuselajes

Los morros del fuselaje de los aviones de pasajeros sostienen la antena del radar meteorológico, y un morro más romo pondrá la menor cantidad de material en el camino de las ondas electromagnéticas. En un cuerpo tridimensional, la forma de la nariz tiene menos importancia y, a veces, se utiliza para expresar una imagen de marca . En el flujo subsónico, se deben evitar cambios bruscos en el contorno: aquí, el aire tendría que cambiar de dirección abruptamente, lo que requiere fuertes gradientes de presión. Por lo tanto, la curvatura a lo largo de cualquier trayectoria de flujo debería cambiar gradualmente. Esto favorece una forma del cuerpo elíptica . Si no quiere tener ningún salto ni siquiera en la segunda derivada, use una función lemníscatica .

Una nariz hemisférica tendría una curvatura constante seguida de ninguna curvatura a lo largo de la parte cilíndrica del fuselaje. El cambio repentino de la curvatura en la transición entre la nariz redondeada y el cilindro requeriría un salto repentino en la presión que provoca más resistencia que la reducción gradual de la curvatura (que provoca un aumento gradual de la presión) de una nariz elíptica.

Edición 2: básicamente, ¿por qué el n. ° 2 a continuación tiene menos resistencia que el n. ° 5?

Porque la esquina afilada en la base del cono en el No. 5 causará un pico de succión que a su vez causará un salto en el espesor de la capa límite. La nariz hemisférica del No. 2 es mejor, pero lo mejor es la nariz elíptica del No. 1.

Una elipse más roma tendrá una superficie general más baja pero un cambio de presión más pronunciado; aquí, como suele suceder, lo óptimo es un compromiso que debe incluir los números de Mach y Reynolds, así como consideraciones estructurales. Dado que el óptimo es plano, hay un espacio considerable para soluciones individuales.

¿Qué pasaría si el número 5 tuviera una "cresta" más suave (transición de cono a cilindro) pero aún fuera puntiagudo? Digamos, ¿si el número 1 terminara en un punto?

La punta puntiaguda no "fijaría" el punto de estancamiento en ese punto; más bien, aún se movería con el ángulo de ataque, pero la parte del flujo que pasa por esta punta exhibiría un fuerte pico de succión y "suavizaría" el contorno medio de una separación local. Esto colocaría más tensión en la capa límite y aumentaría su espesor aguas abajo. Cualquier esperanza de flujo laminar sobre esta nariz más allá de tal punta sería destruida por esto, por supuesto.

La cresta más suave sería mejor, por lo que la nariz elíptica con una punta puntiaguda mejoraría las cosas como lo hace el No. 4 sobre el No. 5. En el No. 4, la cresta afilada probablemente producirá una separación en la cresta que hará que todo el cuerpo mirar más grande al flujo que se aproxima. La bisección del coeficiente de arrastre en el No. 4 me indica que la separación es mucho menor. ¡Tenga en cuenta que todo esto solo es válido en flujo subsónico! En flujo supersónico, el número 4 se vería mejor.

Forma de la nariz en las alas.

En las alas, sin embargo, la forma de la nariz es extremadamente importante: observe los saltos en el rendimiento que a veces se lograron optimizando la forma de la nariz. Para llegar al fondo de la forma del morro del ala, necesitamos hablar sobre las capas límite, los efectos Mach y mucho más, así que prepárate para una respuesta larga.

Las superficies aerodinámicas de los planeadores pueden permitirse el uso de radios de punta pequeños porque vuelan a números de Mach bajos. Los aviones de pasajeros, por otro lado, deben mantener bajos los números de Mach locales, lo que favorece un radio de nariz más grande. Si está satisfecho con esta respuesta, mejor deje de leer ahora.

En el Simposio Transsonicum de la Unión Internacional de Mecánica Teórica y Aplicada (IUTAM) en 1964, EV Laitone presentó algo así como un número mágico para el flujo transsónico:

METRO a = 1 γ − 1 = 1.581
con γ la relación de calores específicos de un fluido. Una vez que el pico de succión local en la punta de un perfil aerodinámico alcanza tal velocidad, la sustentación deja de crecer más. Con velocidades de pérdida de alrededor de 120 nudos, los primeros aviones a reacción alcanzaron habitualmente este límite utilizando los perfiles aerodinámicos NACA de la serie 6 de esa época.

A continuación, puede ver la distribución de la presión en un perfil aerodinámico agitado cerca de la elevación máxima ( fuente de la imagen ). Los detalles del perfil aerodinámico no importan mucho; importante es el pico de succión en la nariz que es posible gracias a un gran ángulo de ataque y una aleta con un espacio ventilado entre el ala y la aleta.

Distribución de presión en un perfil aerodinámico con aletas cerca de la elevación máxima

En tal caso, un radio de nariz pequeño crea un pico de succión muy fuerte pero angosto porque se necesita un gradiente de presión muy fuerte para forzar el flujo alrededor del contorno de la nariz estrecha. Si la nariz es más roma, el pico de succión puede extenderse a lo largo y se vuelve menos puntiagudo, simplemente porque el cambio de trayectoria del flujo alrededor de la nariz se vuelve más gradual. Dado que existe una relación directa entre la succión local y el número de Mach local, esos picos de succión deben distribuirse y ser más planos para permitir ángulos de ataque más altos. Esa es la razón principal por la que los perfiles aerodinámicos supercríticos tienen narices más romas: tolerarán coeficientes de sustentación más altos que son posibles con potentes flaps.

Las superficies aerodinámicas iniciales del planeador usaban narices bastante romas y una gran inclinación. Con la tecnología compuesta, se podía mejorar la suavidad de las alas y los primeros códigos numéricos ayudaron a dar forma a la distribución de la presión de modo que se pudiera cubrir un ángulo de ataque bastante amplio sin incurrir en picos de succión agudos en ninguna de las superficies. El código Eppler de Richard Epplerfue la primera herramienta de este tipo y al prescribir niveles de presión sobre secciones de la superficie aerodinámica en ángulos de ataque específicos, facilitó el diseño de superficies aerodinámicas laminares en las computadoras de bajo consumo de la época. El resultado son contornos con un radio de punta pequeño que produciría un pico de succión pronunciado una vez que se excediera el rango de ángulo de ataque especificado. Al suprimir el pico de succión en ese rango de ángulo de ataque especificado, el cubo laminar podría maximizarse de una manera que una punta más roma no permitiría.

Ahora, para la excursión prometida a la teoría de la capa límite: una capa límite laminar se estabiliza mediante un gradiente de velocidad positivo (flujo acelerado), pero un gradiente de velocidad negativo provocará la transición al flujo turbulento con bastante rapidez, especialmente en números de Reynolds más altos. El lado posterior de un pico de succión tiene un gradiente negativo de este tipo; por lo tanto, se deben evitar los picos de succión para mantener el flujo laminar en gran parte de la cuerda del ala de los planeadores. Además, el uso de aletas de inclinación permite desplazar la cubeta laminar hacia arriba y hacia abajo en la escala del coeficiente de sustentación, por lo que la combinación de un radio de punta pequeño y una aleta de inclinación permitirá el flujo laminar en un amplio rango de coeficiente de sustentación.

Los aviones de pasajeros no pueden hacer lo mismo: el número de Reynolds en sus alas es tan grande que la transición turbulenta ocurre cerca de la nariz, independientemente de la distribución de presión local. Por lo tanto, no les preocupan los cubos laminares y tolerarán felizmente los picos de succión que vienen con ángulos de ataque más altos. En crucero, cuando gestionar la distribución de la presión es fundamental para reducir los golpes, el rango de ángulo de ataque es extremadamente estrecho, por lo que el morro romo no produce ninguna desventaja. Sin embargo, esta distribución de presión transsónica exige muy poca inclinación en la parte delantera del perfil aerodinámico, por lo que para tolerar altos ángulos de ataque durante la aproximación y el aterrizaje, necesitan un morro romo. El radio de morro más grande también ayuda a integrar dispositivos de borde de ataque como slats y flaps Krüger, lo cual es otra ventaja a baja velocidad.

He estado orando por una respuesta tuya :o) ¡Escribí muchas buenas respuestas! Profundizaré en esto...
Espera, mi pregunta es sobre la punta del fuselaje y la respuesta parece ser sobre la punta del perfil aerodinámico, a menos que la respuesta sea la misma. Básicamente, las respuestas de Internet parecen sugerir que las narices más romas son aerodinámicamente superiores a las narices más afiladas para, por ejemplo, un avión de pasajeros basado en 1) la aceptación de un mayor rango de AOA, 2) menor resistencia a la fricción, 3) menor resistencia a la presión. No entiendo por qué suavizar una forma disminuye la fricción y el arrastre de la presión, si eso es válido. Y si/por qué un casquete hemisférico es aerodinámicamente ideal.
@Aerocurios: en este caso, tal vez esta respuesta sea más adecuada. Los aviones de pasajeros necesitan narices más romas para cubrir su radar meteorológico. Aerodinámicamente no hacen mucha diferencia. Las narices aerodinámicas, por otro lado, merecen una respuesta más larga. Lamento haberte decepcionado.
Hasta donde yo sé, las narices de Airbus y Boeing son diferentes porque Boeing es un diseño más antiguo que evita las ventanas curvas por rentabilidad, mientras que Airbus puede crear tales ventanas con facilidad y, como consecuencia, evita la formación de un bulbo supersónico arrastrado en la parte superior. avión. Los diseños más nuevos de Airbus/Boeing ya no tienen esta diferencia. Pero eso es extremadamente específico de Airbus y Boeing. Estoy más interesado en lo que sucedería con la fricción y la resistencia a la presión en general si hiciéramos una nariz (digamos, solo por ejemplo, un Airbus) perfectamente cónica sin cambiar su longitud.
En ese caso, ¿aumentaría o disminuiría el arrastre por fricción y/o presión y cuál es mayor en términos absolutos? ¿O ambos son irrelevantes y la única razón para las narices más romas es que aceptan una mayor variedad de AOA?
@Aerocurios: Inmediatamente entendí su pregunta como una sobre las narices de las alas porque los planeadores tienen narices afiladas y los aviones tienen narices romas. Con los morros de fuselaje no existe una distinción tan clara porque la forma del morro es de menor importancia. Tanto Airbus como Boeing usan cristales de ventana planos en diseños más antiguos; Boeing comenzó a usar ventanas curvas en el 747 (hace más de 50 años).
Bueno, es lo suficientemente importante como para que nadie vuele con narices cilíndricas. Si realmente no fuera importante, esperaría que algún avión tuviera una trompa y colmillos para divertir a los pasajeros. En cambio, los aviones de pasajeros de Airbus y Boeing parecen haber convergido recientemente en un contorno común casi exacto. Según mi interpretación, los aviones Boeing solían tener una nariz claramente más de dos etapas (en la parte superior) y, según lo que he leído, esto estaba relacionado con el costo de la curvatura de la ventana en más de un ángulo necesario para hacerlos más al ras. , verifique 707 con 777, etc. Sin embargo, tal vez fue por otras razones de construcción.
De todos modos, eso no está relacionado con mi pregunta. He agregado una imagen de las respuestas a una pregunta relacionada para aclarar.
Error tipográfico: "La nariz hemisférica del No. 2 es mejor, pero la mejor es la nariz elíptica del No. 2". #2 no es a la vez hemisférico y elíptico, ¿verdad? ;)
¡Muchas gracias por seguir actualizando esto! ¿Qué pasaría si el número 5 tuviera una "cresta" más suave (transición de cono a cilindro) pero aún fuera puntiagudo? Digamos, ¿si el número 1 terminara en un punto?
@FreeMan: Sí, por supuesto que el número 1 es el mejor. Escribí eso a toda prisa esta mañana. ¡Gracias por detectarlo!
@PeterKämpf: ¡escribes más, mejor, con prisa las respuestas de las que podría pensar! ¡Un simple error tipográfico o dos es más que excusable!
A medida que aumenta la velocidad, la onda de compresión comienza a formarse. El cono parabólico "virtualmente" se extiende a la onda de compresión (se alarga), y presenta una curva más gradual al cilindro, reduciendo la resistencia. Además, el aire que corre por el espacio vacío entre la onda de compresión y la punta roma del cono creará una "zona de succión" de menor presión similar a la de un ala. Me encantaría trabajar en ello en un túnel de viento.
OK: una pregunta final: ¿qué pasa con la fricción de la piel? ¿Qué formas tendrían el menor arrastre por fricción? ¿El cono corto con el área mojada más pequeña o el cono elíptico, que supongo que tiene una capa límite más pequeña? No puedo adivinar cuál.
@Aerocurios: el arrastre por fricción de la piel es aproximadamente proporcional al área de la superficie. La tensión que un pico de succión ejerce sobre la capa límite en realidad permite que la fricción disminuya más allá del pico, pero la alta velocidad relativa dentro del pico de succión lo compensa con creces. Entonces, el cambio suave de velocidad de la elipse también produce el arrastre de fricción más bajo sobre la misma área.
Ummm... ¿alguien más no se rió de la forma de esa imagen?

Las narices romas son mejores a velocidades subsónicas porque proporcionan la mejor forma para que el aire salga del camino. Desde este sitio :

La velocidad del "sonido" es en realidad la velocidad de transmisión de una pequeña perturbación a través de un medio.

De un viejo libro de la universidad

La imagen muestra un solo punto que viaja a una velocidad constante V, emitiendo pequeñas perturbaciones :). El aire que se encuentra frente al punto de desplazamiento está advertido y se aparta de forma isentrópica, sin pérdidas. Es esta parte del flujo de aire subsónico la clave para la forma óptima: una parabólica. El punto empuja el aire fuera del camino de forma esférica, mientras viaja a una velocidad constante.

Si nuestra perturbación viajera no es un punto infinitesimalmente pequeño sino un cuerpo 3D real, su forma óptima es la misma: parabólica, luego redondeada en donde el cuerpo cilíndrico comienza a crear una forma elíptica. Con esta forma, el aire frente al cuerpo puede salir del camino de la manera más ordenada.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Las líneas de corriente en la imagen de arriba están a distancias iguales. El aire se aparta, creando una presión estática más baja que succiona la nariz hacia la corriente de aire. Con una forma hemisférica, las líneas de corriente están más juntas en algunos lugares, creando un aumento de presión que anula la presión inicial más baja.

Observe que en su figura 20 la primera forma es elíptica y en realidad tiene un negativo C D solo para la nariz : se succiona en el flujo de aire. Ninguna de las otras formas lo hace, ni siquiera la forma hemisférica 2. Con el flujo incompresible subsónico, es lo que sucede frente a la nariz lo que crea una menor resistencia, no en o más allá de la nariz.

Todo eso es válido cuando la forma viaja a cierta velocidad, con un ángulo de ataque cero.

  • A cualquier otra velocidad, la forma parabólica óptima es diferente, aunque sigue siendo una parábola para un cuerpo infinitamente ancho, o una elipse para un cuerpo con dimensiones finitas.
  • En cualquier otro AoA, es muy difícil crear una forma de cuerpo elíptica en 3D, y sería diferente para cualquier AoA. Pero una esférica se acerca, como muestra la Figura 20: el primer bit de una parábola está cerca de una esfera de todos modos. Cuanto mayor sea el radio de la esfera, más cerca estará del óptimo. Y una esfera es una esfera en cualquier ángulo.

Editar ¿Cómo puede la forma succionarse en el aire frente a ella?

Las alteraciones de la presión advierten al aire que se aparte. Bernouilli es válido para flujo subsónico bajo:

pag t = pag s + 1 2 ⋅ ρ ⋅ V 2

o: presión total = presión estática más presión dinámica. Muy por delante del cuerpo en movimiento, pag t es la presión total es la presión estática ambiental. Tan pronto como el aire comienza a moverse, la presión dinámica local aumenta y la presión estática local disminuye.

editar2

Sí, elíptica para dimensiones corporales finitas.

¡Oh, esa es una derivación interesante de la forma! Pero realmente no lo entiendo, ¿hay alguna fuente con más detalles porque en la primera imagen, en qué lugar se obtiene una parábola? ¿Y por qué la parábola se succiona a sí misma en el flujo de aire (la búsqueda de Google solo dio respuestas relacionadas con la computadora)? Una vez que entiendo eso, la parte de AOA/arrastre de presión de mi pregunta probablemente se responda a mi satisfacción.
La parábola está en la conexión de los contornos del círculo. La forma 3D con una forma de nariz que coincide con lo que sucede con una perturbación puntual mueve el aire fuera del camino isentrópicamente (sin pérdidas).
Lo siento, mis libros de referencia son libros universitarios antiguos en un idioma extranjero.

A partir de la información proporcionada por los escritores expertos, podemos deducir que la franqueza del diseño de la nariz de un avión puede dividirse en 2 consideraciones. Primero, evitar el arrastre de las olas y las velocidades del aire por encima de un número donde aumenta significativamente, favorecen subsónicamente una nariz más roma. A velocidades más bajas, la nariz más afilada, como se ve en los planeadores, parece más favorable.

Estas formas de nariz óptimas se pueden describir como elípticas y parabólicas.

Volumen elíptico = pi x diámetro al cuadrado x altura/6, Volumen parabólico = pi x diámetro al cuadrado x altura/8

A números de Mach muy bajos, el aire simplemente se separa con una compresión insignificante delante del avión. Aquí el cono elíptico de punta afilada funciona mejor.

A números de Mach subsónicos más altos (menos de 1), el aire comienza a comprimirse frente a la aeronave. Aquí el cono parabólico es mejor. Quitar la punta afilada mantiene la superficie de la nariz fuera de la "ola" de aire comprimido más arrastrada y en una "zona de succión" de menor presión justo detrás de ella. El avión todavía tiene que empujar el aire fuera del camino, pero evita algo de arrastre con una nariz más roma. Este es el diseño subsónico alto de los transatlánticos y también de los barcos de "proa bulbosa".

Sin embargo, en estos diseños, como en las balas, una curva constante sin bordes "agudos", como se ve en la figura 20 anterior, brinda importantes beneficios de reducción de la resistencia.

La "franqueza" es simplemente la gestión de efectos de mayor velocidad y/o cambios más grandes en el ángulo de ataque.

Ahora que hemos separado el "fluido" con nuestro "arco", ¿cómo gestionamos su retorno (recuperación por arrastre)? Nuevamente, la respuesta también puede estar en la curva constante. Esto quedará para otra discusión 😊.

Ventaja aerodinámica de narices romas y POR QUÉ (subsónico)
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