Vórtices de punta de ala

Ajustar Compartir Imprimir Citar

Los vórtices inducidos por el elevador detrás de un avión jet son evidenciados por el humo en una pista de aterrizaje en un experimento del Centro Aeroespacial Alemán (DLR)

Una grabación de audio de los vórtices inducidos por ascensor escuchado poco después de que un avión voló sobre el grabador

Los

vórtices de las puntas de las alas son patrones circulares de aire giratorio que quedan detrás de un ala a medida que genera sustentación. El nombre es inapropiado porque los núcleos de los vórtices están ligeramente hacia el interior de las puntas de las alas. Los vórtices de las puntas de las alas a veces se denominan de arrastre o vórtices inducidos por sustentación porque también ocurren en puntos distintos de las puntas de las alas. De hecho, la vorticidad queda arrastrada en cualquier punto del ala donde la sustentación varía en términos de envergadura (un hecho descrito y cuantificado por la teoría de la línea de sustentación); eventualmente se enrolla en grandes vórtices cerca de la punta del ala, en el borde de los dispositivos de aleta o en otros cambios abruptos en la forma del ala.

Los vórtices de las puntas de las alas están asociados con la resistencia inducida, la impartición de corriente descendente y son una consecuencia fundamental de la generación de sustentación tridimensional. La selección cuidadosa de la geometría del ala (en particular, la envergadura), así como de las condiciones de crucero, son métodos operativos y de diseño para minimizar la resistencia inducida.

Los vórtices de las puntas de las alas forman el componente principal de la estela turbulenta. Dependiendo de la humedad atmosférica ambiental, así como de la geometría y la carga alar de los aviones, el agua puede condensarse o congelarse en el núcleo de los vórtices, haciéndolos visibles.

Generación de vórtices de salida

Cuando un ala genera sustentación aerodinámica, se produce una región de flujo descendente entre los dos vórtices.

La sustentación tridimensional y la aparición de vórtices en las puntas de las alas pueden abordarse con el concepto de vórtice en herradura y describirse con precisión con la teoría de Lanchester-Prandtl. Desde este punto de vista, el vórtice de salida es una continuación del vórtice ligado al ala inherente a la generación de sustentación.

Efectos y mitigación

Los vórtices de las puntas de las alas están asociados con la resistencia inducida, una consecuencia inevitable de la generación de sustentación tridimensional. El movimiento giratorio del aire dentro de los vórtices de las puntas del ala (a veces descrito como "fuga") reduce el ángulo efectivo de ataque del aire sobre el ala.

La teoría de la línea de elevación describe la liberación de los vórtices posteriores como cambios en la distribución de la elevación. Para una envergadura y superficie de ala determinadas, se obtiene una resistencia inducida mínima con una distribución de sustentación elíptica. Para una distribución de sustentación y un área de forma en planta del ala dadas, la resistencia inducida se reduce al aumentar la relación de aspecto.

Como consecuencia, las aeronaves para las que es deseable una alta relación de sustentación y resistencia, como los planeadores o aviones de pasajeros de largo alcance, normalmente tienen alas con una relación de aspecto alta. Sin embargo, estas alas tienen desventajas en cuanto a limitaciones estructurales y maniobrabilidad, como lo demuestran los aviones de combate y acrobáticos que suelen presentar alas cortas y rechonchas a pesar de las pérdidas de eficiencia.

Otro método para reducir la resistencia inducida es el uso de aletas, como se ve en la mayoría de los aviones de pasajeros modernos. Los Winglets aumentan la relación de aspecto efectiva del ala, cambiando el patrón y la magnitud de la vorticidad en el patrón del vórtice. Se logra una reducción de la energía cinética en el flujo de aire circular, lo que reduce la cantidad de combustible gastado para realizar el trabajo sobre el aire giratorio^{[cita necesaria]}.

Después de que la NASA se preocupara por la creciente densidad del tráfico aéreo que podría causar accidentes relacionados con vórtices en los aeropuertos, un experimento realizado por el Centro de Investigación Ames de la NASA en el túnel de viento con un modelo 747 descubrió que la configuración de los flaps podría cambiarse en los aviones existentes para rompe el vórtice en tres vórtices más pequeños y menos perturbadores. Esto implicó principalmente cambiar la configuración de los flaps externos y, en teoría, podría adaptarse a los aviones existentes.

Visibilidad de los vórtices

Los núcleos de los vórtices a veces pueden ser visibles cuando el agua presente en ellos se condensa de gas (vapor) a líquido. Esta agua a veces puede incluso congelarse, formando partículas de hielo.

La condensación de vapor de agua en los vórtices de las puntas de las alas es más común en aviones que vuelan con ángulos de ataque elevados, como aviones de combate en maniobras de alta gravedad o aviones de pasajeros que despegan y aterrizan en días húmedos.

Condensación y congelación aerodinámica

Los núcleos de los vórtices giran a muy alta velocidad y son regiones de muy baja presión. En una primera aproximación, estas regiones de baja presión se forman con poco intercambio de calor con las regiones vecinas (es decir, adiabáticamente), por lo que la temperatura local en las regiones de baja presión también cae. Si cae por debajo del punto de rocío local, se produce una condensación de vapor de agua presente en los núcleos de los vórtices de las puntas de las alas, haciéndolos visibles. La temperatura puede incluso caer por debajo del punto de congelación local, en cuyo caso se formarán cristales de hielo dentro de los núcleos.

La fase del agua (es decir, si asume la forma de un sólido, líquido o gas) se determina por su temperatura y presión. Por ejemplo, en el caso de la transición de gas líquido, a cada presión hay una "temperatura de transición" especial ${displaystyle T_{c}$ tal que si la temperatura de la muestra es un poco superior ${displaystyle T_{c}$ , la muestra será un gas, pero, si la temperatura de la muestra es un poco inferior ${displaystyle T_{c}$ , la muestra será un líquido; vea la transición de fase. Por ejemplo, en la presión atmosférica estándar, ${displaystyle T_{c}$ es 100 °C = 212 °F. La temperatura de transición ${displaystyle T_{c}$ disminuye con la disminución de la presión (que explica por qué el agua hierve a temperaturas más bajas y a temperaturas más altas en una cocina de presión; vea aquí para más información). En el caso de vapor de agua en el aire, el ${displaystyle T_{c}$ correspondiente a la presión parcial del vapor de agua se llama punto de rocío. (La transición de líquido sólido también ocurre alrededor de una temperatura de transición específica llamada punto de fusión. Para la mayoría de las sustancias, el punto de fusión también disminuye con la presión decreciente, aunque el hielo de agua en particular - en su La forma Ih, que es la más familiar - es una excepción prominente a esta regla.)

Los núcleos de Vortex son regiones de baja presión. Como comienza a formar un núcleo de vórtice, el agua en el aire (en la región que está a punto de convertirse en el núcleo) está en fase de vapor, lo que significa que la temperatura local está por encima del punto de rocío local. Después de las formas del núcleo del vórtice, la presión dentro de él ha disminuido del valor ambiente, y por lo tanto el punto de rocío local ( ${displaystyle T_{c}$ ) ha bajado del valor ambiente. Así, en y de sí mismo, una gota de presión tendería a mantener el agua en forma de vapor: El punto de rocío inicial ya estaba por debajo de la temperatura ambiente, y la formación del vórtice ha hecho que el punto de rocío local sea aún más bajo. Sin embargo, como el núcleo del vórtice forma, su presión (y por lo tanto su punto de rocío) no es la única propiedad que está cayendo: La temperatura vortex-core también está bajando, y de hecho puede caer por mucho más que el punto de rocío.

En una primera aproximación, la formación de núcleos de vórtice es termodinámicamente un proceso adiabático, es decir, sin intercambio de calor. En tal proceso, la caída de presión va acompañada de una caída de temperatura, según la ecuación

{displaystyle {frac {f} {f} {f}}}=left({frac} {f} {f} {f}}}} {f}} {f}}}}}}}=mf}=f} {f} {f} {f}} {f}}}derecho)} {fnMicroc} {gamma -1}{gamma }}

Aquí. ${displaystyle T_{text{i}}$ y ${displaystyle ¿Qué?$ son la temperatura absoluta y la presión al comienzo del proceso (aquí igual a la temperatura ambiente y la presión), ${displaystyle T_{text{f}}$ y ${displaystyle p_{text{f}}$ son la temperatura absoluta y la presión en el núcleo del vórtice (que es el resultado final del proceso), y la constante ${displaystyle gamma }$ es aproximadamente 7/5 = 1.4 para el aire (ver aquí).

Por lo tanto, aunque el punto de rocío local dentro de los núcleos del vórtice es incluso menor que en el aire ambiente, el vapor de agua puede sin embargo condensarse — si la formación del vórtice trae la temperatura local por debajo del nuevo punto de rocío local.

Para un avión de transporte típico aterrizando en un aeropuerto, estas condiciones son las siguientes: ${displaystyle T_{text{i}}$ y ${displaystyle ¿Qué?$ tienen valores correspondientes a las llamadas condiciones estándar, es decir, ${displaystyle ¿Qué?$ = 1 atm = 1013,25 mb = 101 ${displaystyle ,}$ 325 Pa y ${displaystyle T_{text{i}}$ = 293.15 K (que es 20 °C = 68 °F). La humedad relativa es un 35% cómodo (punto de rocío de 4.1 °C = 39.4 °F). Esto corresponde a una presión parcial de vapor de agua de 820 Pa = 8.2 mb. En un núcleo de vórtice, la presión ( ${displaystyle p_{text{f}}$ ) cae a alrededor del 80% de la presión ambiental, es decir, a cerca de 80 000 Pa.

La temperatura en el núcleo del vórtice es dada por la ecuación anterior como ${displaystyle T_{text{f}=left({frac {scriptstyle 80,000}{scriptstyle 101,325}right)^{scriptstyle 0.4/1.4},T_{text{i}=0.935,times ,293.15=274;{text{K}}}$ o 0.86 °C = 33.5 °F.

A continuación, la presión parcial del agua en el núcleo del vórtice disminuye en proporción a la caída de la presión total (es decir, por el mismo porcentaje), a alrededor de 650 Pa = 6.5 mb. Según una calculadora de puntos de rocío, esa presión parcial resulta en el punto de rocío local de aproximadamente 0,86 °C; en otras palabras, el nuevo punto de rocío local es casi igual a la nueva temperatura local.

Por lo tanto, este es un caso marginal; si la humedad relativa del aire ambiente era incluso un poco mayor (con la presión total y la temperatura restante como arriba), entonces el punto de rocío local dentro de los vórtices aumentaría, mientras que la temperatura local permanecería igual. Por lo tanto, la temperatura local sería ahora inferior que el punto de rocío local, y así el vapor de agua dentro de los vórtices se condensaría. En las condiciones adecuadas, la temperatura local en los núcleos de vórtice puede caer por debajo del punto de congelación local, en cuyo caso se formarán partículas de hielo dentro de los núcleos de vórtice.

El mecanismo de condensación de vapor de agua en los vórtices de las puntas de las alas es impulsado por cambios locales en la presión y la temperatura del aire. Esto contrasta con lo que sucede en otro caso bien conocido de condensación de agua relacionado con los aviones: las estelas de escape de los motores de los aviones. En el caso de las estelas de vapor, la presión del aire y la temperatura locales no cambian significativamente; en cambio, lo que importa es que el escape contenga tanto vapor de agua (lo que aumenta la concentración local de vapor de agua y, por lo tanto, su presión parcial, lo que resulta en un punto de rocío y un punto de congelación elevados) como también aerosoles (que proporcionan centros de nucleación para la condensación y la congelación)..

Vuelo de formación

Una teoría sobre el vuelo de las aves migratorias afirma que muchas especies de aves más grandes vuelan en formación de V para que todos, excepto el ave líder, puedan aprovechar la parte ascendente del vórtice de la punta del ala del ave que va delante.

Peligros

Los vórtices en las puntas de las alas pueden representar un peligro para las aeronaves, especialmente durante las fases de aterrizaje y despegue del vuelo. La intensidad o fuerza del vórtice es función del tamaño, la velocidad y la configuración de la aeronave (posición de flaps, etc.). Los vórtices más fuertes son producidos por aviones pesados, que vuelan lentamente, con los flaps y el tren de aterrizaje retraídos ("pesados, lentos y limpios"). Los grandes aviones a reacción pueden generar vórtices que pueden persistir durante muchos minutos, a la deriva con el viento.

Los aspectos peligrosos de los vórtices de las puntas de las alas se analizan con mayor frecuencia en el contexto de la estela turbulenta. Si un avión ligero sigue inmediatamente a un avión pesado, la estela turbulenta del avión pesado puede hacer que el avión ligero haga rodar más rápido de lo que puede resistir mediante el uso de alerones. En altitudes bajas, en particular durante el despegue y el aterrizaje, esto puede provocar una alteración de la que no es posible recuperarse. ("Ligero" y "pesado" son términos relativos, y este efecto ha hecho rodar aviones aún más pequeños). Los controladores de tráfico aéreo intentan garantizar una separación adecuada entre las aeronaves que salen y llegan emitiendo Despertar avisos de turbulencia a los pilotos.

En general, para evitar vórtices un avión es más seguro si su despegue es antes del punto de rotación del avión que despegó antes que él. Sin embargo, se debe tener cuidado de mantenerse contra el viento (o alejado) de cualquier vórtice generado por la aeronave anterior. Al aterrizar detrás de un avión, éste debe permanecer por encima de la trayectoria de vuelo del anterior y aterrizar más a lo largo de la pista.

Los pilotos de planeadores practican habitualmente volar en vórtices en las puntas de las alas cuando realizan una maniobra llamada "encajonar la estela". Se trata de descender desde la posición superior a la inferior detrás de un avión de remolque. A esto le sigue haciendo una figura rectangular sosteniendo el planeador en los puntos altos y bajos lejos del avión de remolque antes de regresar a través de los vórtices. (Por razones de seguridad, esto no se hace por debajo de los 1500 pies sobre el suelo y generalmente con un instructor presente). Dadas las velocidades relativamente lentas y la ligereza de ambas aeronaves, el procedimiento es seguro pero infunde una idea de qué tan fuerte y dónde se encuentra la turbulencia..

Galería

Un EA-6 Prowler con condensación en los núcleos de sus vórtices de alas y también en la parte superior de sus alas.
Vortices se pueden formar en los extremos de las cuchillas de hélice, como se ve en este DHC-5 Buffalo.
El núcleo del vórtice que recorre desde la punta de la solapa de un avión comercial con cola de aterrizaje extendido.
Wingtip vortices de un modelo de túnel de viento Cessna 182.
Wingtip vortices mostradas en el humo de la bengala dejado detrás de un C-17 Globemaster III. También conocido como ángeles de humo.
El tiltrotor de Osprey MV-22 tiene una carga de disco alta, produciendo vórtices de punta de hoja visible.
Computación de Euler de un vórtice de punta constante. Los colores de contorno y la isosurfa revelan vorticidad.
Un modelo Boeing 747 acaba de pasar por una hoja de humo estacionaria, que muestra sus vórtices que siguen, en el Vortex Facility del Centro de Investigación Langley.