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Visualización de flujo en un túnel de agua: Observando el vórtice de vanguardia sobre un ala Delta

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

El ala delta tiene una pequeña relación de aspecto, que se define como la envergadura dividida por la longitud media del cordón. Para un ala delta, esto es 1/2 la longitud del cordón raíz. Otros diseños de alas comunes, como el ala rectangular y el ala barrida, 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 a altos regímenes de vuelo subsónicos, transónicos y supersónicos. Es importante destacar que el ala delta tiene un ángulo de bloqueo alto en comparación con las alas de alta relación de aspecto.

En aerodinámica, el ángulo de parada es el punto en el que el ángulo de ataque es demasiado alto, lo que hace que la elevación disminuya. El ángulo alto de estancamiento de un ala delta se debe a una elevación mejorada por un vórtice de borde delantero sobre el ala, llamado elevación de vórtice. La elevación del vórtice se produce 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 delantero del ala, en lugar de ocurrir aguas abajo cerca del borde de arrastre, como lo haría para un ala rectangular.

El enrollado de los vórtices de vanguardia induce baja presión en la superficie superior del ala. Este diferencial de presión mejora la elevación. Estos vórtices comienzan desde el ápice del ala, y progresan aguas abajo. En algún momento, estallan, llamada descomposición del vórtice, debido al gradiente de presión adversa alta.

Una vez que se produce la descomposición del vórtice, el vórtice ya no puede inducir baja presión. En ángulos bajos de ataque, la descomposición del vórtice se produce aguas abajo del borde final. Sin embargo, a medida que aumenta el ángulo de ataque, la ubicación de la descomposición del vórtice se mueve aguas arriba hasta un punto donde la avería se produce sobre la mayor parte de la superficie del ala. Esto reduce la elevación y hace que el ala se detenga.

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

Para llevar a cabo este experimento, necesitará acceso a un túnel de agua. En primer lugar, obtener tres recipientes de 500 ml y llenar cada uno al menos medio lleno de tinte. Use 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 utilizando marcas de graduación de 1 cm. El ala delta ya debería estar unida a un soporte de puntal C. Conéctelo al túnel con tornillos, manteniendo el ángulo de guijo 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 graduación para proporcionar una referencia para la vista lateral. A continuación, coloque una cámara para capturar la vista superior del ala. Coloque una segunda cámara para capturar la vista lateral. Ahora pulse 'Grabar' en cada cámara para capturar imágenes de la inyección de tinte y los vórtices subsiguientes.

Ajuste manualmente el ángulo de ataque a 0 ajustando el ángulo en el puntal C. A continuación, establezca la velocidad de flujo del túnel de agua en 4 in/s. Una vez que el flujo se haya estabilizado, suministre la presión a los depósitos de tinte utilizando la bomba manual.

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

Después de grabar al menos 10 segundos del vórtice, cambia el ángulo de ataque a cinco grados. Espere a que las líneas de flujo y raya se estabilicen y registren los vórtices durante al menos 10 s.

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

Si el agua se vuelve demasiado turbia, haciendo que las líneas de rayas parezcan aburridas, cierre el suministro de tinte y apague el túnel. Escurra el agua y reemplácela con agua dulce antes de continuar.

Cuando finalicen todas las pruebas, apague la cámara y cierre el suministro de tinte. A continuación, apague el túnel y drene el agua. Asegúrese de lavar el tinte del túnel cuando haya terminado.

A partir del experimento, podemos identificar averías de vórtice en diferentes ángulos de ataque. La distancia desde el ápice del ala hasta la descomposición del vórtice, etiquetada como LB, se mide, como se muestra. Para simplificar, hacemos referencia a esta distancia como un porcentaje de la longitud del acorde desde el borde final.

Ahora echemos un vistazo a la distancia desde el borde final hasta la descomposición del vórtice para cada ángulo de ataque. Como se muestra aquí, la ubicación de descomposición del vórtice se mueve gradualmente aguas arriba a medida que aumenta el ángulo de ataque. Cuando el ángulo de ataque es igual a 40o, la descomposición del vórtice se produce en el 96% de la ubicación del acorde desde el borde final. En otras palabras, casi hasta el ápice del ala. En esta actitud, el ala delta experimenta un puesto completo. En otras palabras, experimenta una pérdida total de elevación.

En resumen, aprendimos cómo la relación de aspecto baja y el ángulo de barrido alto de un ala delta contribuyen a su elevación de vórtice y estancamiento retardado. Luego observamos el fenómeno de flujo de vórtice en un ala delta modelo en un túnel de agua, y usamos la descomposición del vórtice para estimar el ángulo de parada.

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