¿Cómo se forma una estela turbulenta en un avión?

Origen de los vórtices

La estela turbulenta es fácil de entender una vez que sabes cómo un ala crea sustentación: desviando hacia abajo el aire que fluye a través de ella. En esta respuesta , usé la simplificación de simplemente acelerar hacia abajo todo el aire que fluye a través de un círculo con un diámetro igual a la envergadura, y no afectar el resto del aire.

Esto ayuda a comprender el principio de la creación de ascensores, pero es demasiado simple, por supuesto, porque el movimiento descendente del aire creará un vacío por encima de él, y el aire de abajo tiene que hacer lugar para ese tubo de corriente que se mueve hacia abajo. Además, el campo de presión alrededor del ala también afectará el aire en la vecindad del tubo de flujo y, en consecuencia, el aire de abajo ya será empujado hacia los lados por el ala, y el aire de arriba comenzará a fluir hacia el área de baja presión. el ala. Este movimiento lateral se volverá más pronunciado detrás del ala, de modo que el aire será presionado continuamente hacia afuera por debajo de la estela del ala, se moverá hacia arriba a la izquierda y a la derecha y hacia adentro por encima de la estela. La inercia del flujo descendente lo mantiene moviéndose hacia abajo durante varios minutos, desplazando continuamente el aire debajo de él y succionando más aire hacia el espacio superior. y eso resultará en dos vórtices girando detrás del ala. Este es el enrollamiento de la estela (ver el croquis abajo, tomado deesta fuente ).

Los vórtices son solo una consecuencia del movimiento descendente de la estela, y esto a su vez es una consecuencia de la creación de sustentación. ¡Tenga en cuenta que los núcleos de los vórtices están más juntos que la envergadura! Esto por sí solo debería dejar en claro que no son causados ​​por el aire que fluye alrededor de las puntas de las alas, un concepto erróneo difícil de eliminar. La siguiente tabla proporciona los cálculos de este espaciado de vórtices.

La tabla también es del periódico Carten de 1971 ; ¡Observe la inclusión del proyecto 2707 de Boeing!

Fuerza de los vórtices

Si volvemos de nuevo a la aproximación simplificada del tubo de corriente, la sustentación es proporcional a la masa de aire que fluye a través de él por unidad de tiempo multiplicada por el ángulo de deflexión. Si la sustentación es igual a la masa de la aeronave (como debería ser), las aeronaves pesadas necesitan acelerar más el aire (mayor amplitud) o acelerar más el aire (mayor ángulo de deflexión) que las aeronaves livianas a la misma velocidad. Un ángulo de desviación mayor producirá vórtices más potentes. Por esa razón, un avión pesado a baja velocidad y con poca envergadura producirá los vórtices más fuertes.

Dado que fluye más aire a través del tubo de flujo a mayor velocidad de vuelo, volar más rápido requerirá menos desviación, lo que hará que los vórtices de estela sean más débiles. Si la aeronave asciende, el aire se vuelve menos denso con la altitud y hay menos flujo de masa disponible sobre el ala, por lo que los vórtices se vuelven más fuertes si la velocidad de vuelo no cambia. Normalmente, las aeronaves aceleran al ascender y la fuerza del vórtice permanecerá igual si la aeronave vuela a una presión dinámica constante.

Los vórtices se pueden evitar de tres maneras:

1. Envergadura de ala infinita (lo que significa un flujo de masa infinito, por lo que no es necesaria ninguna desviación para cualquier elevación)
2. Velocidad infinita (nuevamente, da un flujo de masa infinito)
3. Sin peso de la aeronave. De hecho, volar una parábola de gravedad cero casi no produce estela turbulenta.

Fin de los vórtices

La inercia mantendrá la estela moviéndose hacia abajo y los vórtices girando, pero la fricción hará que esos movimientos de aire desaparezcan en unos pocos minutos. Si el avión vuela alto, la estela se disipa mucho antes de tocar el suelo. Sin embargo, la estela de los aviones que vuelan a baja altura golpea el suelo y se desvía. El tubo de vórtice ahora actúa como una rueda y comienza a moverse hacia afuera, y si hay suficiente viento cruzado, el vórtice de barlovento puede detenerse como se muestra en el esquema de la derecha a continuación (también del informe Carten).

Evidencia fotográfica

Hay demasiadas imágenes bonitas de vórtices de estela para no incluir algunas, así que agregaré algunas aquí:

Puede ver que las estelas exteriores de los motores de este Boeing 747 envuelven las estelas de los motores internos. Esto muestra cómo el aire es empujado hacia abajo en la estela del ala y que los centros de los vórtices están ligeramente hacia el interior de los motores exteriores.

Los rastros de condensación que se originan en las puntas de las aletas de este A340 se mueven hacia adentro y hacia arriba, lo que nuevamente muestra que el vórtice no se origina en las puntas sino que se forma detrás del ala y con una distancia entre los dos núcleos de vórtice sustancialmente menor que la envergadura.

Estas dos imágenes muestran cómo la corriente descendente de la estela está cortando un surco en las nubes.

KLM MD-11 en un día húmedo, flaps listos para aterrizar ( fuente © Erwin van Dijck). Uno, muestra cuán insignificante es el vórtice de la punta en comparación con la vorticidad que se desprende en las puntas de las aletas, y Dos, muestra cómo el vórtice de la punta se mueve hacia adentro y comienza a ser absorbido por el vórtice de la estela. ¡Observe también los vórtices de la punta de la cola!

Es tan simple como los vórtices de "punta", pero ese es un nombre inapropiado.

Los vórtices de las alas no son causados ​​realmente por las "puntas". Son el efecto inherente de generar sustentación sobre una envergadura finita. Para generar sustentación (una fuerza sobre el avión), el avión aplica fuerza sobre el aire circundante (según la tercera ley de Newton). Dado que el aire puede moverse libremente, esta fuerza lo acelera (según la segunda ley de Newton) hacia abajo. Debido a la forma en que funcionan los fluidos, la fuerza afecta al aire tanto por encima como por debajo del ala (a una altura comparable a la envergadura), pero no a los lados.

Entonces, directamente detrás del avión, tenemos aire que se mueve hacia abajo y, a los lados, aire que permanece quieto. Y estos son los vórtices de las alas. Véase también John S. Denker: How It Flies , sección 3.14 .

Hay una ligera corriente ascendente justo afuera de las puntas de las alas causada por el flujo transversal alrededor de la punta del ala, pero solo contribuye con una pequeña fracción (como máximo un dos por ciento) de la circulación y la resistencia asociada. También hay algo de turbulencia causada por el simple hecho de moverse por el aire a una velocidad suficiente, pero también es comparativamente menor.

La inercia que la aeronave tiene que impartir al aire por unidad de tiempo es proporcional al peso de la aeronave. Por lo tanto, la turbulencia detrás de aviones más pesados ​​es más fuerte.

Si el avión vuela más rápido afecta más aire por unidad de tiempo, por lo que basta con acelerarlo a menor velocidad. Por lo tanto, la turbulencia detrás de los aviones que vuelan más lentos (por ejemplo, durante el despegue o el aterrizaje) es más intensa.

Si el avión vuela más alto, el aire es menos denso (tiene menor masa por unidad de volumen), por lo que debe acelerarse a mayor velocidad. Por lo tanto, la turbulencia detrás de los aviones que vuelan más alto es más fuerte. Afortunadamente, cuando vuela alto, los aviones también vuelan rápido.

Para comprender la formación de vórtices en las puntas de las alas y cómo eso conduce a la estela turbulenta, primero debemos comprender cómo las alas de un avión generan sustentación.

Elevación debido al diferencial de presión

Esta forma de ascensor funciona según el Principio de Bernoulli ; la idea básica es que el aire en movimiento rápido crea baja presión . Aquí es donde la estructura del ala se vuelve importante.

Gracias a la forma del perfil aerodinámico, se forma una baja presión justo encima del ala, y la alta presión debajo del perfil aerodinámico empuja el ala (y, por lo tanto, todo el avión) hacia arriba. Esto se puede entender claramente con la ayuda de una imagen:

Vórtices de punta de ala

La sustentación de un ala es creada principalmente por el diferencial de presión entre las superficies inferior y superior del ala. Las moléculas de aire debajo ya están bajo presión, y las que están cerca de la punta del ala escapan alrededor del ala y se abren camino hacia afuera, hacia arriba y hacia adentro, creando vórtices en la punta del ala.

Los alerones de muchos aviones modernos también tienen el propósito de prevenir un poco la formación de vórtices en las puntas de las alas, al no permitir que las moléculas de aire entren en espiral, después de escapar por debajo del ala.

Estela turbulenta

Estela turbulenta es una perturbación en la atmósfera que se forma detrás de un avión a medida que pasa por el aire. Incluye varios componentes, los más importantes son los vórtices de las puntas de las alas y el jetwash.

Entonces, la estela turbulenta no es más que una perturbación atmosférica causada por vórtices en las puntas de las alas y, en menor medida, por los gases de escape de los motores a reacción.

EDITAR: Sección eliminada que elabora Impact Lift, ya que no existe tal cosa - Cortesía de Peter Kämpf