Teoria de Resist en CIA Inducida

Aeronaves y Vehculos EspacialesTema 4 Aerodinmica del AvinParte II - Alas en Rgimen IncompresibleSergio Esteban Roncero Francisco Gaviln Jimnez Departamento de Ingeniera Aeroespacial y Mecnica de Fluidos Escuela Superior de Ingenieros Universidad de Sevilla Curso 2009-2010Aeronaves y Vehculos Espaciales 1

ContenidoIntroduccin Resistencia Inducida Alas Largas y Rectas Dispositivos Hipersustentadores

Aeronaves y Vehculos Espaciales

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Introduccin - IHasta ahora se han visto 2 tipos de resistencia asociados a los perfiles:Resistencia de presin. Resistencia de friccin.

Las alas finitas presentan un nuevo tienen un nuevo tipo de resistencia:Resistencia inducida.

Las caractersticas de una seccin del ala finita no son idnticas a las del perfil bidimensional correspondiente.


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Alas en Rgimen Compresible - IIEnvergadura a la distancia que hay entre las puntas del ala (b). El alargamiento es un parmetro adimensional que mide lo esbelta que es el ala y se define como (AR)


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Introduccin - IICaractersticas del flujo:Perfiles: flujo bidimensional. Alas de envergadura finita: flujo tridimensional:existen variaciones del campo fluido en la direccin de la envergadura. La diferencia de presiones entre intrads y extrads es la responsable de este flujo tridimensional


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Torbellinos de Punta de Ala - IEn las puntas del ala el aire del intrads rebordea el ala, pasando al extrads. EL AIRE TIENDE IR A LA ZONA DE MENOR PRESIN :Extrads: aparece un flujo que va de la punta del ala hacia la raz Intrads: aparece un flujo que va de la raz del ala hacia la punta

En el borde de salida del ala hay una discontinuidad en la direccin de la velocidad de las dos corrientes de extrads e intrads, que se mantiene aguas abajo del ala:se crea una superficie de discontinuidad, una estela, la cual es inestable y tiende a enrollarse formando dos torbellinos conocidos como torbellinos de punta de ala (wingtip vortices).


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Torbellinos de Punta de Ala - II

Video 1

(Wing tip vortices behind the wing)


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Torbellinos de Punta de Ala - III


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Torbellinos de Punta de Ala - IV


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Torbellinos de Punta de Ala - IV


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Torbellinos de Punta de Ala - VVideo 3 Video 4(L1011) (A-380)

Video 1 Video 2

(B747) (C5)


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Velocidad InducidaLos torbellinos modifican la aerodinmica del ala:inducen una velocidad vertical descendente, velocidad inducida w, a lo largo del ala. la combinacin de esta velocidad con la corriente incidente hace que la direccin local del viento vare en las proximidades de cada seccin del ala. la corriente es deflectada un cierto ngulo

i =w V

ngulo de ataque geomtrico ngulo de ataque inducido ngulo de ataque efectivo

ef = i


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Geometra del Ala Forma en PlantaRectangularTpica de avionetas Baja velocidad y vuelos cortos Fcil y barata de construirPilatus PC-6 Porter

TrapezoidalMs eficiente que ala rectangular Avionetas de baja velocidad Aviones supersnicos

F-22 Raptor

ElpticaMinimiza la resistencia inducida Muy complicada de construirSpitfireAeronaves y Vehculos Espaciales 13

Geometra del Ala - IUn ala tiene torsin (twist) si el ngulo de ataque geomtrico () vara a lo largo de la envergadura. Beneficios aerodinmicos:Normalmente es menor en las puntas que en la raz del ala, con objeto de evitar la entrada en prdida del ala por las puntas a bajas velocidades lo que supondra una prdida de mando lateral.

La torsin puede ser tan grande que en vuelo de crucero las puntas del ala pueden estar a ngulos de ataque negativos. Ventaja Estructural:La mayor parte de la sustentacin se genera en la parte central del ala.Para la misma sustentacin total el momento flector en el encastre es menor.

Esta misma ventaja tambin se consigue disminuyendo la cuerda en la direccin a las puntas: ESTRECHAMIENTO. Por razones estructurales el espesor del perfil suele disminuir en direccin a las puntas.


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Geometra del Ala - II


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Geometra del Ala - II


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Geometra del Ala - III

Torsin geomtrica

Torsin aerodinmica


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Geometra del Ala - IVGeometra Variable Wing Morphing

Active Aeroelastic Wing (AAW) F/A-18

NASA Wing Morphing

Video 1


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Resistencia Inducida - ILa consecuencia ms importante de la deflexin de la corriente es la aparicin de una nueva contribucin a la resistencia aerodinmica. Esta resistencia es debida a un desequilibrio de presiones en la direccin de V generado por el flujo inducido por los torbellinos de punta de ala. La sustentacin local en cada seccin del ala es perpendicular al viento relativo local, por lo que est inclinada un ngulo i respecto de la direccin perpendicular a Vhay una componente del vector sustentacin local en la direccin de V : una componente de resistencia aerodinmica llamada resistencia inducida.


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Resistencia Inducida - IILa resistencia inducida es un precio ineludible que hay que pagar para que el ala sustente. La resistencia total de un ala (en rgimen incompresible, y en general en rgimen subsnico)la resistencia inducida (Di), La resistencia de friccin (Df) y la resistencia de presin (Dp) Hay que tener en cuenta que el campo fluido inducido por los torbellinos de punta de ala modifica la velocidad y la presin a lo largo del ala, por lo que Df y Dp en cada seccin son distintos de los valores correspondientes al perfil.Dicha variacin es pequeas y se puede despreciar en una primera aproximacin.


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Resistencia Inducida - IIIEn un ala finita la sustentacin vara de una seccin a otra:En general la cuerda vara a lo largo de la envergadura El ngulo de ataque geomtrico tambin puede variar (ala con torsin) El tipo de perfil puede variar.

En las puntas del ala la sustentacin es nula, como consecuencia de la igualacin de presiones entre intrads y extrads.Sustentacin del ala

Resistencia Inducida por unidad de envergadura

Distribucin de AoA inducidos i

Resistencia Inducida


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Alas Largas y RectasPara alas largas y rectas se puede considerar la hiptesis de Prandtl, segn la cual cada perfil se comporta como bidimensional pero al ngulo efectivo que ve cada perfil


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Distribucin de Sustentacin Elptica - ISi la distribucin de la sustentacin de un ala es elptica entonces el coeficiente de resistencia inducida viene dada por El ngulo de ataque inducido es proporcional a CL. El origen de la corriente inducida vertical w es la diferencia de presiones entre intrads y extrads, la misma diferencia que genera la sustentacin

=AR


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Distribucin de Sustentacin Elptica - IILa dependencia cuadrtica de CDi con CL hace que CDi aumente mucho cuando CL es grande El CDi es inversamente proporcional al alargamiento (AR).Cuanto mayor sea AR, menor ser CDi .Las alas largas disminuyen la resistencia inducida. Por razones estructurales AR no puede ser todo lo grande que sera de desear. Aviones subsnicos convencionales tienen alargamientos del orden de 6 a 8 Veleros se llega a valores del orden de 20.

la velocidad de vuelo es pequea: despegue y aterrizaje.

=AR

Si el ala no tiene torsin y si tiene el mismo tipo de perfil en todas las secciones, entonces la distribucin de cuerdas requerida para tener la distribucin de sustentacin elptica debe variar tambin elpticamente con la envergadurase dice entonces que se tiene un ala elptica Marine Spitfire


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Distribucin de Sustentacin Elptica - IIIEn un caso genrico se puede demostrar que el coeficiente de resistencia inducida puede ponerse en la forma

=ARe es un factor de eficiencia, que slo depende de la geometra del ala y verifica 0 < e < 1 valores tpicos de e estn en el rango 0.85-0.95.

Para alas con un alargamiento dado que producen el mismo CL, la que da lugar a mnima resistencia inducida es aqulla en la que la distribucin de sustentacin es elptica (e):Distribucin de cuerdas elptica para alas sin torsin y con el mismo tipo de perfil en todas las secciones. La fabricacin de este tipo de alas es muy complicada Lo ms simple sera fabricar un ala rectangular (Cdi elevado) El compromiso es el diseo de alas con estrechamientola distribucin de sustentacin se aproxime al caso elptico.

El parmetro (AR) tiene mucha ms importancia a la hora de reducir la resistencia inducida.

El principal factor de diseo es hacer el alargamiento tan grande como sea posible.


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Influencia del ARPara dos aviones equivalentes:la misma superficie alar (S) mismo coeficiente de sustentacin (CL) volando a la misma presin dinmica (q)

Al aumentar el alargamiento se disminuye la resistencia. Existen limitaciones estructurales que acotan el valor de AR


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Influencia de la geometra en la distribucin


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Distribucin de Sustentacin Elptica - IVCoeficiente de resistencia total Relacin parablica entre CD y CL - Polar del ala

CD total

Cd = Cd-presin + Cd-friccin


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Pendiente de la Curva de sustentacin - ILa pendiente de la curva de sustentacin de un ala finita es menor que la de un perfilLa sustentacin para un ala finita es menor que la del perfil Para un ala elptica, sin torsin y con el mismo perfil en todas las secciones; la pendiente de la curva de sustentacin es:

Caso general

slo depende de la geometra del ala. Valores tpicos estn en el rango: 0.05-0.2

En la realidad depende tambin de:Velocidad Mach Factores de interferencia ala-fuselaje


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Reduccin Resistencia InducidaFlying V-FormationVolando en formacin V, aumenta un 71% el alcance de todo el grupo, en comparacin si los pjaros vuelan solos

Video 1

F-18 formation flying


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Reduccin Resistencia Inducida


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Dispositivos Hipersustentadores - ILos aviones pueden operar en condiciones/requerimientos de sustentacin muy diversos en funcin de las exigencias del vuelo.Despegue Subida Crucero Vuelo en espera Descenso Aterrizaje

Cuando diseamos un avin lo hacemos para que sea capaz de volar de forma optima durante el mayor tiempo de vuelo posible. En general, las situaciones mas exigentes son el despegue y el aterrizaje, que a su vez representan las porciones de vuelo ms cortas En vuelo de crucero (horizontal, rectilneo y uniforme) el peso del avin es equilibrado por la sustentacin (L = W): Configuracin de Crucero V y CL dados Velocidad de entrada en prdida

Carga alar


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Dispositivos Hipersustentadores - IIIncompatibilidades en el diseo de las alas cuando se consideran los diferentes segmentos de vuelo:Idealmente durante crucero la curvatura del ala tendra que ser lo ms pequea posible para disminuir la resistencia. Mientras que para despegue y aterrizajes ala tiene que generar mucha sustentacin lo que implica elevadas curvaturas.

En despegue y aterrizaje, se tienen velocidades de vuelo pequeas.Se debe aumentar el coeficiente de sustentacin para conseguir reducir la velocidad de entrada en prdida y poder aterrizar/despegar a una velocidad segura.

Para llegar a un compromiso entre los diferentes segmentos se utilizan superficies hipersustentadoras que se deflectan en aterrizaje/despegue y se retraen en crucero para reducir la resistencia. El aumento en sustentacin (CLmax) 60-80 %. Tipos de dispositivos hipersustentadoresAumento de la curvatura Aumento de la cuerda (rea) Control de la capa lmite

Video 1Wing morphing


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Dispositivos Hipersustentadores - IIIEl flap simple: Flap simpleaumenta la curvatura disminuye algo la superficie alar el aumento de resistencia es muy grande.

El flap ranurado:

Flap ranurado

aumenta la curvatura y controla la capa lmite. el aire pasa de intrads a extrads por la ranura, succionando la capa lmite de la parte fija del perfil este flap permite deflexiones de hasta 40 el aumento de resistencia es mucho menor que en el flap simple en aviones con cargas alares muy grandes se utilizan flaps birranurados y flaps trirranurados, que permiten deflexiones ms grandes. aumenta la curvatura aumenta la superficie alar controla la capa lmite el incremento de resistencia es menor que en los casos anteriores. son superiores al anterior limitaciones son la complejidad y el peso.

Flap Fowler

Flap birranurado Fowler

El flap Fowler:

Flap trirranurado Fowler

E l flap Fowler birranurado y el trirranurado: El flap de intrads

Flap de intrados

aumenta la curvatura el aumento de resistencia es muy grande incluso para deflexiones pequeas una solucin anticuada


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Dispositivos Hipersustentadores - IVEl slot, o ranura de borde de ataque:controla la capa lmite mediante soplado, evitando el desprendimiento de la corriente cuando no hay desprendimiento no incrementa el C l.

El slat

El objetivo principal del slot y del slat es evitar el desprendimiento. El flap de borde de ataque y el flap Krueger:aumentan la curvatura. disminuyen el ngulo de ataque efectivo del perfil

es un perfil pequeo, con curvatura muy grande, cuyo objetivo es retrasar el desprendimiento de la corriente en las proximidades del borde de ataque mediante una modificacin de la corriente exterior tiene como resultado una disminucin del pico de succin cuando no hay desprendimiento el Cl apenas se incrementa, ya que el Cl del slat, que es muy grande, se compensa con la disminucin del Cl del perfil bsico debida a la disminucin del pico de succin.

con deflexiones pequeas, la sustentacin puede disminuir


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Dispositivos Hipersustentadores - VLos dispositivos de borde de salida dan lugar a un incremento de Cl a ngulo de ataque fijoaumentan curvatura el ngulo de ataque al cual se produce la entrada en prdida del perfil disminuye. dan un momento de picado, que es necesario equilibrar. si se equilibra con el timn de profundidad, mediante una sustentacin negativa, se disminuye la sustentacin total del avin en contra de lo que se pretende. Retrasando la entrada en prdida hasta ngulos de ataque grandes, tambin se presenta la configuracin fluida correspondiente a un perfil con slat a ngulo de ataque dan un momento de encabritado, por lo que pueden usarse en combinacin con los de borde de salida para equilibrar los momentos.

Los dispositivos de borde de ataque incrementan el Clmax


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Dispositivos Hipersustentadores - VI


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Dispositivos Hipersustentadores - VI


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Dispositivos Hipersustentadores - VIILa utilizacin de dispositivos hipersustentadores lleva asociado un incremento de la resistencia aerodinmica. La efectividad aerodinmica y la complejidad mecnica de los dispositivos hipersustentadores de borde de salida crecen en paralelo.


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Dispositivos Hipersustentadores - IXEn el aterrizaje una resistencia aerodinmica grande no origina problemas, siendo incluso deseable porque contribuye al frenado del avin. Por ello las deflexiones de los dispositivos hipersustentadores en la configuracin de aterrizaje son mximas (40 a 60) Por contra, en la configuracin de despegue, con objeto de aprovechar bien la aceleracin proporcionada por el sistema motopropulsor, slo se pueden tolerar incrementos moderados de resistencia, por lo que las deflexiones son moderadas, (15 a 20) En despegue el CLmax del avin est en el rango de 2 a 2.5, y en aterrizaje, en el rango de 3 a 3.5. Una combinacin ptima:Slat con el flap Fowler birranurado (o trirranurado) Parte de la corriente se separa, pero que la corriente que pasa de intrads a extrads por las ranuras del flap se mantiene adherida.

Video 1 Video 2


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Dispositivos Hipersustentadores - IX

Video 1 Video 2


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Generadores de Vrtices - IQue son?Son pequeas superficies aerodinmicas consistentes de pequeas veletas que generan vrtices Suelen tener forma rectangular o triangular y tener un tamao de 1 o 2 cm. Se suelen colocar en la parte frontal de un ala con flecha Se suelen colocar en hileras en la direccin del fluido, y en la parte del perfil que presenta el mximo espesor. Esto incrementa de forma efectiva el espesor mximo del perfil. Se suelen ver en tanto las alas como en las derivas verticales de muchos aviones de transporte de pasajeros.

Dnde se colocan?


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Generadores de Vrtices - IIPara que sirve?Se aaden para mantener el flujo estable a lo largo de las superficies de control en el borde de salida del perfil. Permite:Menores velocidades de despegue Menores velocidades de entrada en prdida Mejora la controlabilidad de los aviones Mejora en la seguridad Beneficios S.T.O.L. (Short Take Off and Landing)

Video 1 Video 2

Los generadores mezclan el flujo de la corriente libre con el flujo quasi-estacionario lo que ayuda a que el flujo de la corriente se active de nuevoGenerando mucha ms velocidad en aquellas zonas que necesitan que la velocidad de la corriente sea mucho mayor.


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Bibliografa[And00] J.D. Anderson. Introduction to flight. McGraw Hill, 2000. [Riv07] Damin Rivas. Aeronaves y Vehculos Espaciales, Febrero de 2007. Wikipedia:http://es.wikipedia.org http://en.wikipedia.org

NASA, http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12 NASA History Division http://history.nasa.gov/.


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Documents

Teoria de Resist en CIA Inducida