Visualización del flujo en un túnel de agua: Observación del vórtice en el borde de ataque sobre un ala Delta

Las alas de los aviones, y su diseño, son esenciales para definir las características de rendimiento de una aeronave. El ala delta es un diseño popular en los aviones de alta velocidad debido a su excelente rendimiento en regímenes de vuelo transónicos y supersónicos.

El ala delta tiene una relación de aspecto pequeña, que se define como la envergadura dividida por la longitud media del cordón. Para un ala delta, esto es 1/2 de la longitud del cordón raíz. Otros diseños de alas comunes, como el ala rectangular y el ala cónica en flecha, tienen relaciones de aspecto más altas.

El ala delta también tiene un ángulo de barrido alto, que se define como el ángulo entre la línea de cuerda del 25% y el eje lateral. Estas características de las alas reducen la resistencia aerodinámica en altos regímenes de vuelo subsónicos, transónicos y supersónicos. Es importante destacar que el ala delta tiene un ángulo de pérdida alto en comparación con las alas de alta relación de aspecto.

En aerodinámica, el ángulo de pérdida es el punto en el que el ángulo de ataque es demasiado alto, lo que hace que la sustentación disminuya. El alto ángulo de pérdida de un ala delta se debe a una mayor sustentación por un vórtice en el borde de ataque sobre el ala, llamada sustentación del vórtice. La sustentación del vórtice ocurre cuando un ala delta está sujeta a ángulos de ataque más altos, lo que hace que la separación del flujo tenga lugar en el borde de ataque del ala, en lugar de ocurrir aguas abajo cerca del borde de fuga, como lo haría para un ala rectangular.

El enrollamiento de los vórtices del borde de ataque induce una baja presión en la superficie superior del ala. Este diferencial de presión mejora la elevación. Estos vórtices parten del ápice del ala y progresan río abajo. En algún momento, estallaron, lo que se denomina ruptura del vórtice, debido al alto gradiente de presión adverso.

Una vez que se produce la ruptura del vórtice, el vórtice ya no puede inducir baja presión. En ángulos de ataque bajos, la ruptura del vórtice se produce aguas abajo del borde de fuga. Sin embargo, a medida que aumenta el ángulo de ataque, la ubicación de la ruptura del vórtice se desplaza aguas arriba hasta un punto en el que la ruptura se produce en la mayor parte de la superficie del ala. Esto reduce la sustentación y hace que el ala se detenga.

En este experimento, usaremos un túnel de agua con tinte para visualizar estos patrones de vórtice en un modelo de ala delta y rastrear la ubicación de la ruptura del vórtice en diferentes ángulos de ataque.

Para llevar a cabo este experimento, necesitarás acceso a un túnel de agua. Primero, obtenga tres recipientes de 500 ml y llene cada uno al menos hasta la mitad con tinte. Usa un recipiente para el tinte azul, otro para el tinte verde y el último para el tinte rojo.

El modelo de ala delta utilizado en nuestro experimento tiene tubos ya conectados a los tres contenedores de tinte. También tiene tres grifos de inyección de tinte, que dispersarán un tinte de color diferente en tres regiones diferentes del ala. Las mediciones de distancia se marcan en el ala con marcas de 1 cm. El ala delta ya debería estar unida a un soporte de puntal en C. Conéctelo al túnel con tornillos, manteniendo el ángulo de guiñada lo más cerca posible de 0.

Una vez que el ala delta esté en su lugar, llene el túnel de agua con agua. Asegúrese de adjuntar un papel con marcas de verificación para proporcionar una referencia para la vista lateral. Luego, coloque una cámara para capturar la vista superior del ala. Coloque una segunda cámara para capturar la vista lateral. Ahora presione 'Grabar' en cada cámara para capturar imágenes de la inyección de tinte y los vórtices posteriores.

Establezca manualmente el ángulo de ataque en 0 ajustando el ángulo en el puntal en C. Luego, ajuste la velocidad de flujo del túnel de agua a 4 pulgadas / s. Una vez que el flujo se haya estabilizado, suministre presión a los depósitos de tinte mediante la bomba manual.

Observe las rayas del tinte, luego ajuste el caudal del tinte usando las tres perillas para generar una raya continua. La aplicación de los tres colores a la vez nos permite ver las interacciones del vórtice en diferentes regiones del ala. Observe las interacciones del vórtice e identifique el enrollamiento del vórtice y el núcleo del vórtice primario.

Una vez que hayas grabado al menos 10 segundos del vórtice, cambia el ángulo de ataque a cinco grados. Espere a que las líneas de flujo y rayas se estabilicen y registren los vórtices durante al menos 10 s.

Repita la medición aumentando el ángulo de ataque en 5? incrementos de hasta 55?. Registre al menos 10 s del patrón de vórtice de la línea de rayas cada vez.

Si el agua se vuelve demasiado turbia, lo que hace que las líneas de las rayas parezcan opacas, cierre el suministro de tinte y cierre el túnel. Drene el agua y reemplácela con agua dulce antes de continuar.

Cuando terminen todas las pruebas, apague la cámara y cierre el suministro de tinte. Luego cierre el túnel y drene el agua. Asegúrate de lavar el tinte del túnel cuando termines.

A partir del experimento, podemos identificar rupturas de vórtice en diferentes ángulos de ataque. Se mide la distancia desde el vértice del ala hasta la ruptura del vórtice, etiquetada como LB, como se muestra. Para simplificar, referenciamos esta distancia como un porcentaje de la longitud de la cuerda desde el borde de fuga.

Ahora veamos la distancia desde el borde de fuga hasta la ruptura del vórtice para cada ángulo de ataque. Como se muestra aquí, la ubicación de ruptura del vórtice se mueve gradualmente aguas arriba a medida que aumenta el ángulo de ataque. Cuando el ángulo de ataque es igual a 40?, la ruptura del vórtice se produce en el 96% de la ubicación de la cuerda desde el borde de fuga. Es decir, casi hasta el vértice del ala. Ante esta actitud, el ala delta experimenta una pérdida completa. En otras palabras, experimenta una pérdida total de sustentación.

En resumen, aprendimos cómo la baja relación de aspecto y el alto ángulo de barrido de un ala delta contribuyen a su sustentación del vórtice y al retraso de la pérdida. A continuación, observamos el fenómeno del flujo de vórtice en un modelo de ala delta en un túnel de agua, y utilizamos la ruptura del vórtice para estimar el ángulo de pérdida.