ALAS GANADORAS

ALAS GANADORAS
Crear turbulencia, o no?
Los vigorizadores potenciarán su
performance?
Cuestiones de perfil discutidas por
Martyn Pressnell
Escuchando
las
conversaciones
de
los
aeromodelistas en el club o en el campo de vuelo,
el tema frecuentemente girará alrededor de los
perfiles. Está claro que los aeromodelistas de
vuelo libre toman este tema muy seriamente, y
que es agudamente conocido el potencial de
performance
de
las
secciones
alares
corrientemente en uso; todavía hay aspectos del
tema no entendidos claramente y hay registradas
algunas explicaciones muy sospechosas. Algunos
años atrás cuando mi libro “Perfiles para
Aeromodelistas” estaba en impresión traté de
ofrecer una explicación simple de algunas
terminologías, causas y efectos. A pesar de que
el libro no estuvo ampliamente disponible en este
país, varios aeromodelistas que lo vieron
expresaron cordialmente su placer. Sin embargo,
hubo avances en el conocimiento en este tiempo
y creo que hay prospectos para nuevas familias
de perfiles avanzados de baja velocidad.
Debo decir de una vez que los perfiles avanzados
no serán manipulados en la mesa del
aeromodelista porque
esto es un pequeño
desarrollo matemático o experimental a mano
apropiado para los modelos de bajas velocidades.
En la reciente Conferencia Internacional de
aerodinámica de baja velocidad, el Profesor
Eppler se refirió que volar con Número Reynolds
inferiores a un millón es “ilegal”. Esto fue porque
el y otros investigadores eran incapaces de
modelar matemáticamente el flujo que sustenta.
Sin embargo, los experimentos en túnel de viento
muestran certeramente el remarcable resultado
que pueden ocurrir a estas bajas velocidades. En
el gráfico mostrado en Fig. 1 la máxima
sustentación generada cerca de la pérdida es
mostrado en relación al Número Reynolds, y en el
cuadro nominado ”Ventana de Vuelo Libre”
muestra las rápidas variaciones de sustentación
alcanzables en nuestro régimen de vuelo para
varios perfiles. Esto es como si por alguna
Intervención Divina nuestros modelo de vuelo
libre están obligados a volar en esta “zona ilegal”;
y esto seguramente representa uno de los
grandes desafíos en el vuelo de modelos. Quizás
una explicación del “Número Reynolds” sería
adecuada en este momento.
Número Reynolds
Esto es un número adimensional, comprende el
producto de la velocidad del aire, y la longitud de
cuerda, dividido por la viscosidad cinemática del
aire, Este último término relaciona la viscosidad
con la densidad del aire, y es por lo tanto
influenciado por la temperatura. Esta es la
variable fundamental en la cual se basa el
gobierno de la naturaleza del flujo sobre un perfil.
Considere dos perfiles idénticos, uno de los
cuales es usado en un modelo a escala de un
avión con una cuerda de 6 pulgadas y una
velocidad de 10mph; Volando en el mismo aire la
máquina original tiene un Número Reynolds 120
veces más que el modelo. Tanto como estas
máquinas son llevadas a la pérdida, el modelo
entrará en pérdida, por decir, a 8mph mientras
que la máquina original entrará en pérdida a
50mph. La naturaleza de la pérdida también
difiere apreciablemente. Una vez acaecida con el
modelo puede ser repentina y caer a plomo,
mientras que en la máquina “tamaño normal”
entrará en pérdida suavemente, la nariz caerá
gradualmente hasta que la velocidad se recupere.
Otras marcadas diferencias podrían ser
mostradas, tales como variaciones en las
distancias de despegue, relación de ascenso y
razón de descenso en planeo. Por supuesto, en la
práctica los defectos relativos del modelo son
compensados por la operación a baja carga alar,
y por la instalación de mayor poder en términos
de bhp/lb*. Todo esto es atribuible a la influencia
del Número Reynolds.
Máx
coef.
de
sustentación
Ventana de vuelo Libre
Nº Reynolds
Fig. 1
Conducta de la sección de ala:
Influencia del Nº Reynolds sobre
El coeficiente de máxima sustentación
La tabla en la Fig. 2 muestra el típico Número
Reynolds para un modelo de avión. El flujo de
aire al que afecta al perfil está sujeto a fuerzas de
inercia (o presión), y también a fuerzas de
viscosidad (o fricción). Altos Números de
Reynolds (NR) indican que las fuerzas de inercia
son dominantes, mientras que a bajos NR indican
que las fuerzas de viscosidad asumen
importancia. En pruebas en el túnel de viento es
dificultoso alcanzar el NR apropiado en relación al
tamaño original, túneles presurizados o túneles
de agua son usados algunas veces para
incrementar el NR. Investigando la respuesta y la
maniobra del avión a tracción humana Gossamer
Albetross, Paul McCready utilizó pequeños
modelos probados en un piscina de natación. La
mayoría de las pruebas en túneles de viento han
sido ejecutadas a NR más grandes que 300.000
el cual está más allá del rango crítico en el que
operan los modelos. Algunos túneles probarán a
valores de NR de los modelos, pero medir las
fuerzas, particularmente la resistencia, es
dificultoso de alcanzar con precisión porque las
fuerzas en si mismas son muy pequeñas.
Capa Límite
El flujo en la muy pequeña proximidad del perfil
es retardado por las fuerzas de viscosidad, y es
completamente detenido en la superficie. Si las
capas de aire deslizan unas sobre otras sin
mezclarse la capa límite se dice que es “laminar”.
Bajos NR ayudan al flujo laminar, pero es
fácilmente interrumpido (por ejemplo) por un
aumento en el gradiente de presión o alguna
superficie dañada o irregular. Una vez que
comienza la mezcla del aire en la capa límite, se
dice que ha ocurrido la “transición” y comienza la
capa límite “turbulenta”. La capa límite turbulenta
crece en espesor rápidamente y alcanza la
condición en que se “separa” de la superficie.
Más allá de la separación el flujo forma vórtices,
lo cual es una región de turbulencia general a lo
largo del perfil. A NR de modelos, estos vórtices
pueden tener un espesor aproximado al espesor
del perfil mismo.
A altas incidencias** ( o grandes ángulos de
ataque) sobreviene un desarrollo adicional. Es
posible que el flujo laminar se separe de la
superficie antes que ocurra la transición a
turbulento. El espesor de la capa límite turbulenta
crece rápidamente y es posible que se readhiera
a la superficie por lo tanto una “burbuja” de flujo
recirculante es encarrilada con el perfil. Un borde
de ataque desprovisto de generadores de
turbulencia asegura ese efecto pero puede ocurrir
naturalmente en algunos perfiles finos***. Capas
límite finas dan lugar a “cortas burbujas” las
cuales cambian drásticamente la distribución de
presión del perfil, sin embargo una región de
presión constante aparecerá dentro de la burbuja.
Largas burbujas están asociadas con capas límite
gruesas, y pueden extenderse sobre casi toda la
cuerda del perfil, influenciando considerablemente
la distribución de presión. Las burbujas crecen en
tamaño con la incidencia** del perfil y pequeñas
burbujas pueden crecer dentro de las burbujas
grandes a incidencias** críticas, dependiendo del
NR. Los modelos de vuelo libre que operan
debajo de NR de 50.000 están dentro de las
condiciones de formación de grandes burbujas.
Esta es la conducta de estas “burbujas” las cuales
causan dramática reducción de la sustentación al
alcanzar la “Ventana de Vuelo Libre”. Han sido
identificados tres tipos de pérdidas, como se
ilustra en la Fig. 3 y pueden ser descriptas como
sigue:
a) Pérdida de borde de fuga, es una
gradual pérdida de sustentación a alta
incidencia*, la separación turbulenta se
mueve hacia adelante desde el borde de
fuga.
b) Pérdida de borde de ataque, en la cual
una pérdida de la sustentación repentina
tiene lugar debido al colapso de las
pequeñas burbujas que fallan al
readherirse.
c) Pérdida de perfil fino, con gradual
pérdida de sustentación a baja incidencia
debido al alargamiento de la grandes
burbujas.
Por lo tanto, el control de la actividad de las
burbujas mantiene una llave importante en el
desarrollo de perfiles para modelos de vuelo libre.
Fig. 2: Carga alar y Número Reynolds de
modelos típicos
Tipo de
Carga alar
Modelo
libra/pié²
Coupe d´Hiver
0,11
Planeador A/1
0,29
F!B Wakefield
0,30
Open Rubber
0,23
Planeador F1A (A/2) 0,29
Planeador 100 S R/C 0,46
Poder F1C
0,54
Nº Reynolds
24.000
40.000
40.000
41.000
45.000
84.000
90.000
Vigorizadores
Cuando la performance de planeo es lo principal,
los aeromodelistas usarán secciones de ala
combadas tales como la tipo Benderek6356b. Sin
asistencia adicional la sustentación de la sección
en la pérdida disminuye con la reducción del NR,
y debajo de NR de 50.000 la declinación es
rápida. Esto es debido usualmente la pérdida de
un perfil fino con predominio de grandes burbujas
en la capa límite.
Se ha encontrado que la aplicación de fajas
vigorizadoras detrás de las burbujas tiene efectos
importantes, a pesar que la mecánica exacta no
está clara. Parece ser que al aproximarse la
pérdida, el crecimiento de una gran burbuja a
través de la cuerda del perfil puede ser retenida.
La separación final es por lo tanto demorada y la
sustentación mejorada. Si los saltos de la burbuja
pasan el vigorizador, un próximo vigorizador
vuelve a retenerla de tal modo el uso de varios
parece ser apropiado. El mejor tamaño y
ubicación de estos dispositivos no es preciso, sin
embargo parece ser que no tienen efecto
significativo por delante del 30% de la cuerda. Los
vigorizadores pueden ser hechos con finas tiras
de cinta adhesiva, las cuales permiten fácil
reposicionamiento y remoción. Parece haber una
razón para suponer los vigorizadores serían
efectivos en planos de cola y hélices de modelos
a goma tanto como en las alas.
Quiero enfatizar que por el momento es buena
evidencia para su efectividad potencial, no será
necesariamente exitoso pegar vigorizadores en
cada cosa en cualquier lugar. Una simple
experimentación
sistemática
debería
ser
intentada. Habiéndome satisfecho a mi mismo
acerca de su aplicación en los modelos de goma
de alas finas, estoy tratando de volar hélices
vigorizadas en la temporada de 1987.
a) Pérdida de borde de fuga
separación turbulenta se mueve
hacia delante
b) Pérdida de borde de ataque
burbuja corta falla al readherir
c) Pérdida de perfil fino
burbuja larga se agranda
d) flujo vigorizado
-ilegible en el originalFig. 3
Flujo de aire a elevada incidencia*
Performance de planeo
Para los modelos de competición de Vuelo Libre
una baja razón de descenso en planeo es un
objetivo de diseño. La condición óptima de
compensado se encuentra muy próxima a la
pérdida, a tal punto que debajo del cual la
resistencia del perfil aumenta rápidamente.
Algunos modelos pueden ser compensados
demasiado cerca de la pérdida y descenderán
rápidamente sin entrar en pérdida propiamente
dicha, sin recobrarse de ello. Mi propio planeador
A/2, mostrado en las fotos, debería hacer eso si
no es astutamente lanzado del remolque. La
aplicación de cinco vigorizadores corrigió ese
problema e hizo una discernible mejoría en la
duración.
Una de las principales influencias en la duración
del planeo es la relación de aspecto del ala.
Mientras se incrementa la relación de aspecto se
reduce la resistencia de vórtice del ala, el efecto
de una cuerda más pequeña reduce el NR. Una
vez entrado en la región donde limita
severamente la máxima sustentación se ha
alcanzado la relación de aspecto óptima. Para un
planeador F/1A, o A/2 este se encuentra
usualmente en 16. El efecto de los vigorizadores
en demorar el deterioro de la sustentación con el
NR puede permitir usar una relación de aspecto
óptima superior, y es en esa dirección en la que
yo creo que los vigorizadores tendrán su más
efectiva aplicación. Esto no es decir que alguna
mejoría no puede ser alcanzada por la adición de
vigorizadores al óptimo del ala anterior sin ellos,
pero en términos de duración es probablemente
ser modesto.
Para evaluar el potencial de los vigorizadores se
han tomado algunos análisis computacionales,
usando los resultados de las pruebas obtenidas
en un túnel de viento para el perfil Benedek
6356b. Los resultados se dan en la tabla de la
Fig. 5. la relación de aspecto óptima usando
vigorizadores se vio incrementada a 24 o
posiblemente más en el caso del planeador F1A,
el cual largamente lidera hacia algunas
dificultades prácticas en diseño y construcción. La
mejoría en la razón de descenso no obstante es
muy significante, y si es alcanzada podría otorgar
una duración de planeo de más de tres minutos y
medio desde un lanzamiento de cincuenta
metros.
En el caso de modelos más chicos la relación de
aspecto óptima es menor, por tanto es menos
dificultoso construirlos. En realidad, intentando
alcanzar relaciones de aspecto muy altas en el
FIR Wakefield, algunos diseñadores parecen
estar yendo demasiado lejos. Para el planeador
F1B y A/1, el cual es de similar tamaño y carga
alar, la relación de aspecto óptima es alrededor
de 18 si se usan vigorizadores. La duración del
Wakefield podría exceder cinco minutos,
permitiendo que la ventaja sea efectiva tanto en el
ascenso como en el planeo, y por lo tanto se
asume una doble significancia.
La Coupe d´Hiver opera en los más bajos NR de
las principales categorías de competencias de
vuelo libre de campo y tiene una relación de
aspecto óptima de alrededor de 10, con o sin
vigorizadores. Este tipo de modelo debe
largamente su performance a su baja carga alar,
y al típico valor de NR de 24.000 el uso de
vigorizadores parece particularmente valer la
pena.
Duración en los modelos con poder
Cuando hablamos acerca de la performance de
planeo, uno no debe perder de vista a las
condiciones atenientes a los modelos con poder,
donde la elección de la sección alar es un
delicado compromiso entre los requerimientos de
para ascenso y para planeo. Para los modelos
Slow Open Power y 1/2A las secciones son
usualmente más anchas y con menos combadura
que para los planeadores. La elección del
espesor está relacionada con la obtención de la
adecuada robustez con el menor peso. Secciones
de un espesor de 9% (o más) frecuentemente
parecen beneficiar desde la irregularidad
superficie superior causada por el larguero de ala.
No está claro si el mecanismo aerodinámico es el
mismo que los vigorizadores. Por supuesto en la
fase de ascenso casi vertical la sustentación del
ala (y por tanto la resistencia) no es requerida por
eso es eliminada usando incidencia variable en
los planos de cola y otros medios. El momento de
cabeceo de un ala combada requiere cargas
iguales y opuestas en ala y cola para compensar,
por eso la limitación de la combadura tiene algo
de justificación.
El modelo con poder F1C resalta aún más el
problema del compromiso. Tanto como se han
alcanzado muy altas velocidades en el empinado
ascenso las secciones finas de baja combadura
T 5% 11 30,8% 12 42.3% 13 53.8% 14 65.3% 15 76.9% de la cuerda
Fig. 5: Influencia de los vigorizadores en la relación de aspecto y razón de descenso óptimas
Tipo de modelo
Planeador F1A (A/2)
Planeador A/1
F1B Wakefield
Coupe d´Hiver
SIN VIGORIZADORES
Relac. de aspecto Razón de desc.
Piés/segundo
16
16
12
10
1,13
1,23
1,30
1,20
son las usualmente elegidas. El problema de la
rigidez torsional adecuada para prevenir el aleteo
es crítico, y algunos expertos ahora adoptan alas
cubiertas por láminas de aleación de aluminio. A
pesar de que el NR alrededor de 90.000 es
favorable, la alta carga alar y la pequeña
combadura implican una severa penalización en
la razón de descenso en planeo. Esto ha
impulsado a algunos aficionados a experimentar
flaps de borde de fuga, desplegados a través de
un pequeño ángulo de alrededor de 10 grados
para el planeo, Esta elegante solución no es sin
sus contratiempos en términos de complicaciones
mecánicas, compensado poco confiable y
reducida rigidez torsional.
El modelo con poder F1C tiene una performance
fenomenal, y es cuestionable si uno debería
buscar mejorarla. Sin embargo como en la
categoría World Championship, el competidor
individual debe buscar mejorías. El flap de borde
de ataque parece tener algunas posibilidades. Es
tan efectivo como el flap de borde de fuga, pero
podría necesitar más movimiento angular. Tanto
como podría tener menos efecto en el momento
de cabeceo del ala como podría comprobarse
más consistente y confiable en la operación. En
realidad, podría adoptarse un flap de borde de
ataque fijo que caiga como en algunos aviones
tamaño normal.
Cuál sección?
Mientras que es obvio que la adecuada clase de
sección debe se elegida en términos de
combadura y espesor, esta clarificándose que la
forma y el tratamiento de la superficie real es
igualmente importante. Los aeromodelistas están
al tanto de esto y tratan de tomar ventajas.
Las alas cubiertas con papel pueden tener
secciones muy diferentes a la forma teórica.
CON VIGORIZADORES
Relac. de aspecto Razón de desc.
Piés/segundo
24
18
18
10
0,80
0,97
0,98
1,04
Cuando los largueros entre ellos están más cerca
que las costillas el papel que los cubre devendrá
esencialmente flojo entre las costillas. Las
secciones las cuales resultan de alguna forma
típica de técnica de construcción están ilustradas
en la Fig. 4 cuando son usados largueros
cercanos en la superficie, la sección efectiva está
formada por series de líneas rectas. Esas son
secciones “exitosas” como las usadas en modelos
ganadores de concursos.
La superficie delantera superior es la porción más
importante de la sección y la curvatura pude ser
asegurada por costillas o costillejas próximas. Si
uno acepta la realidad, entonces pueden ser
llevadas a cabo secciones muy funcionales,
usando líneas rectas, ahorrando peso estructural
y simplificando la construcción. La ocurrencia de
la capa límite y el espesor de los vórtices
también lanzan la pregunta a la necesidad de
bordes de fuga afilados. Por suspuesto estos son
pensamientos “ilegales”.
N. de T.
* bhp/lb: brake horse power / pound – caballo de
fuerza al freno / libras (relación potencia/peso).
** incidencia: ángulo estructural formado entre la
cuerda del ala y el eje longitudinal del
avión/modelo;
ángulo de ataque: ángulo aerodinámico formado
entre la cuerda del ala y el flujo de aire libre.
El autor los considera la misma cosa y desarrolla
el artículo utilizando incidencia en lugar de ángulo
de ataque.
*** finos: de baja relación de espesor (espesor
máximo / cuerda)
Revista AEROMODELLER-Septiembre 1987
Traducción NO OFICIAL, NO AUTORIZADA por Alberto J.
MIRANDA – Septiembre de 2005