¿Cuál es el efecto de la separación del flujo sobre la sustentación, la distribución de la presión y la resistencia?

Debe distinguir entre el flujo de la capa límite y el flujo externo.

Separación significa que un paquete de aire de baja energía se mueve con el ala (aquí la presión es de aproximadamente -0,2, expresada como coeficiente de presión ). Para el flujo exterior, el contorno del perfil aerodinámico cambia a uno del perfil aerodinámico original más el paquete de flujo separado. Dado que está en la parte superior trasera del perfil aerodinámico, el perfil aerodinámico "parece" más grueso y más largo, presentando efectivamente al flujo exterior un cuerpo con menos inclinación y ángulo de ataque.

Esto, a su vez, reducirá la succión en la región del flujo adjunto justo más allá de la nariz, donde normalmente un pico de succión alto produce tanto elevación como empuje de la nariz. Con un pico de succión reducido, la superficie aerodinámica produce más resistencia y menos sustentación.

Distribución de presión viscosa y no viscosa a 12° AoA, calculada con XFOIL 5.4. Las líneas discontinuas muestran la distribución de presión no viscosa donde no ocurre la separación del flujo, mientras que las líneas continuas muestran la distribución de presión viscosa con flujo separado sobre el último 20% del lado superior. Las líneas alrededor del contorno de la superficie aerodinámica muestran el límite entre la capa límite y el flujo exterior. La separación espesa la capa límite, alterando sustancialmente la forma alrededor de la cual fluye el flujo exterior.

La forma alterada del perfil aerodinámico provoca una reducción en el ángulo de ataque efectivo, por lo que tanto la succión en la parte superior como la presión en la parte inferior son menores. Esto significa que la separación provoca pérdida de sustentación; una vez que comienza la separación, la pendiente de la curva de sustentación se vuelve más plana y puede invertirse (lo que indica una pérdida total).

En la muestra que se muestra arriba, solo en el último 12% del lado superior la separación causaría que la presión fuera más baja que en el caso no viscoso. Tenga en cuenta que la presión en el fondo también es menor, por lo que la diferencia entre ambos (que provoca la elevación) no cambia con la separación. Sin separación, la distribución de presión viscosa y no viscosa son bastante similares, por lo tanto, la distribución no viscosa es una aproximación válida de primer orden de la distribución de presión viscosa sin separación.

El pico de succión reducido en la nariz y la succión más alta en ese último 12% es lo que causa más arrastre de presión. Tenga en cuenta que el área alrededor del pico de succión apunta hacia adelante y que cerca del borde de salida apunta un poco hacia atrás (especialmente en un ángulo de ataque alto). Esto significa que menos empuje de la nariz empuja el perfil aerodinámico hacia adelante y también hay menos empuje de la presión cerca del borde de fuga.

Para estimar el aumento de la resistencia debido a la separación de la configuración completa del avión, suponga un aumento de la resistencia como si la sustentación aumentara linealmente, sin que se produzca separación, incluida la resistencia inducida. Combine esta resistencia con la sustentación "real", incluidas las pérdidas debidas a la separación, y llegará a una relación sustentación-resistencia sorprendentemente realista de la aeronave entre el inicio de la separación y la pérdida.

Según mis conocimientos, el consejo tiene que ver con el hecho de que la mayor parte de la sustentación la producen las secciones iniciales del borde de ataque (p. ej., el primer 20 % de la cuerda), como se muestra en esta figura.

Ahora compare las gráficas verde (antes de la separación) y rosa (después de la separación) en la siguiente figura.

Antes de la separación, la presión cerca del borde de ataque (el primer 20 % de la cuerda) es muy inferior a la presión ambiental (por ejemplo, -5 a -2), pero después, la presión varía linealmente hacia la presión ambiental, de modo que en el borde de salida es alrededor de 0

Después de la separación, la presión en todas las estelas cambia hacia un valor (constante) que es un poco más bajo que la presión ambiental (por ejemplo, -1 como se muestra en el gráfico rosa) ya que las estelas son un flujo circular independiente de la corriente principal que pasa por encima de ellas. .

Esto significa una presión más alta en el primer 20-30 % de la cuerda, pero una presión más baja en el 70-80 % restante de la cuerda (cuando se comparan las líneas verde con rosa).

Por lo tanto, la succión del ala en su región del borde de ataque (20-30% c) se reduce, lo que significa menos sustentación (ya que la mayor parte de la sustentación es producida por esta sección).

Pero el 70-80% restante de la cuerda tendrá una presión más baja, lo que aumentará el diferencial de presión neta entre las superficies delantera y trasera del perfil aerodinámico y, por lo tanto, aumentará la resistencia a la presión.

Tenga en cuenta también que este 70-80% de la cuerda se coloca en un ángulo alto (ángulo de ataque) y, por lo tanto, tiene un gran efecto cuando calculamos su componente horizontal (arrastre). Por otro lado, esa primera sección del borde de ataque del perfil aerodinámico es aproximadamente una superficie horizontal, por lo que el vector de presión es más normal al flujo de aire y tiene más efecto sobre la sustentación cuando calculamos su componente vertical.

De "Fundamentals of Aerodynamics" de JDAnderson Jr (quinta edición, página 384, 385). Sólo copio y pego en caso de que no tengáis el libro:

Aquí se muestra el perfil aerodinámico con un gran ángulo de ataque (por lo tanto, con separación de flujo) con la distribución de presión de superficie real simbolizada por las flechas continuas. La presión siempre actúa normal a la superficie. Por tanto, las flechas son todas localmente perpendiculares a la superficie. La longitud de las flechas es representativa de la magnitud de la presión. Se dibuja una curva sólida a través de la base de las flechas para formar un "envoltorio" para que la distribución de la presión sea más fácil de visualizar. Sin embargo, si el flujo no estuviera separado, es decir, si el flujo estuviera unido, entonces la distribución de presión sería la que muestran las flechas discontinuas (y la envolvente discontinua).

Las flechas sólidas y discontinuas de la figura 4.47 deben compararse cuidadosamente. Explican las dos consecuencias principales del flujo separado sobre el perfil aerodinámico. La primera consecuencia es una pérdida de sustentación. La sustentación aerodinámica (la fuerza vertical que se muestra en la figura 4.47) se deriva de la componente neta de la distribución de presión en dirección vertical en la figura 4.47 (suponiendo que el viento relativo de la corriente libre es horizontal en esta figura). Se obtiene una elevación alta cuando la presión sobre la superficie inferior es grande y la presión sobre la superficie superior es pequeña. La separación no afecta la distribución de la presión en la superficie del fondo. Sin embargo, al comparar las flechas sólidas y discontinuas en la superficie superior justo aguas abajo del borde de ataque, encontramos que las flechas sólidas indican una presión más alta cuando el flujo se separa. Esta presión más alta está empujando hacia abajo, por lo tanto, reduciendo la elevación. Esta reducción en la sustentación también se ve agravada por el efecto geométrico de que la posición de la superficie superior del perfil aerodinámico cerca del borde de ataque es aproximadamente horizontal en la Figura 4.47. Cuando el flujo se separa, provocando una mayor presión en esta parte de la superficie aerodinámica, la dirección en la que actúa la presión está estrechamente alineada con la vertical y, por lo tanto, la elevación siente casi todo el efecto del aumento de la presión. El efecto combinado del aumento de la presión en la superficie superior cerca del borde de ataque y el hecho de que esta parte de la superficie es aproximadamente horizontal, conduce a una pérdida bastante dramática de sustentación cuando el flujo se separa. Nota en la Figura 4.

Ahora concentrémonos en esa porción de la superficie superior cerca del borde de fuga. En esta parte de la superficie aerodinámica, la presión del flujo separado ahora es menor que la presión que existiría si el flujo estuviera unido. Además, la superficie superior cerca del borde de salida está geométricamente inclinada más hacia la horizontal y, de hecho, mira algo en la dirección horizontal. Recuerde que el arrastre es en dirección horizontal en la figura 4.47. Debido a la inclinación de la superficie superior cerca del borde de salida, la presión ejercida sobre esta porción de la superficie tiene un fuerte componente en la dirección horizontal. Esta componente actúa hacia la izquierda, tendiendo a contrarrestar la componente horizontal de la fuerza debido a la alta presión que actúa sobre la punta del perfil aerodinámico que empuja hacia la derecha. El arrastre de presión neta sobre el perfil aerodinámico es la diferencia entre la fuerza ejercida en la parte delantera empujando hacia la derecha y la fuerza ejercida en la parte trasera empujando hacia la izquierda. Cuando el flujo se separa, la presión en la parte posterior es más baja de lo que sería si el flujo estuviera unido. Por lo tanto, para el flujo separado, hay menos fuerza en la parte posterior que empuja hacia la izquierda y, por lo tanto, aumenta el arrastre neto que actúa hacia la derecha. Observe en la Figura 4.47 que el arrastre para el flujo separado (el vector horizontal sólido) es mayor que el arrastre que existiría si el flujo estuviera unido (el vector horizontal discontinuo). Por lo tanto, dos consecuencias principales de la separación del flujo sobre una superficie aerodinámica son: la presión en la espalda es más baja de lo que sería si el flujo estuviera conectado. Por lo tanto, para el flujo separado, hay menos fuerza en la parte posterior que empuja hacia la izquierda y, por lo tanto, aumenta el arrastre neto que actúa hacia la derecha. Observe en la Figura 4.47 que el arrastre para el flujo separado (el vector horizontal sólido) es mayor que el arrastre que existiría si el flujo estuviera unido (el vector horizontal discontinuo). Por lo tanto, dos consecuencias principales de la separación del flujo sobre una superficie aerodinámica son: la presión en la espalda es más baja de lo que sería si el flujo estuviera conectado. Por lo tanto, para el flujo separado, hay menos fuerza en la parte posterior que empuja hacia la izquierda y, por lo tanto, aumenta el arrastre neto que actúa hacia la derecha. Observe en la Figura 4.47 que el arrastre para el flujo separado (el vector horizontal sólido) es mayor que el arrastre que existiría si el flujo estuviera unido (el vector horizontal discontinuo). Por lo tanto, dos consecuencias principales de la separación del flujo sobre una superficie aerodinámica son: 47 que el arrastre para el flujo separado (el vector horizontal sólido) es mayor que el arrastre que existiría si el flujo estuviera unido (el vector horizontal discontinuo). Por lo tanto, dos consecuencias principales de la separación del flujo sobre una superficie aerodinámica son: 47 que el arrastre para el flujo separado (el vector horizontal sólido) es mayor que el arrastre que existiría si el flujo estuviera unido (el vector horizontal discontinuo). Por lo tanto, dos consecuencias principales de la separación del flujo sobre una superficie aerodinámica son:

1. Una pérdida drástica de sustentación (estancamiento).

2. Un aumento importante en la resistencia, causado por la resistencia a la presión debido a la separación del flujo.