Publicado por aereobolivia6 - enero, 2021
¿Qué
son los generadores de vórtice y cómo funcionan?
¿Qué
son estos pequeños aditamentos en las alas? Probablemente
los viste a través de la ventilla. ¿Qué
beneficio aerodinámico tiene?. Te darás cuenta
como hasta los mas pequeños detalles aerodinámicos
en la aviación afectan drásticamente el desempeño.
Para
entender el gran beneficio que proporcionan los generadores
de vórtice primero debemos de entender el problema
de separación de flujo que naturalmente se presenta
en el ala o un perfil aerodinámico. A medida que
el aire pasa a través de la parte superior del ala
(extrados) la presión reduce hasta que llega hasta
el centro de presión o de sustentación (CP),
ubicado aproximadamente a un cuarto del largo de la cuerda
alar. A partir del punto CP la presión vuelve a incrementarse
de manera progresiva.
La
imagen a continuación ilustra la distribución
de presión al rededor del perfil alar a un ángulo
de ataque neutro (0°).
La
principal causa de separación en del flujo aerodinámico
por encima del perfil alar está asociado con un fenómeno
llamado “gradiente de presión adversa”. ¿Qué
es exactamente?. Ya conocemos la distribución de
presión que se produce a lo largo de la superficie
superior del ala, cuando el aire se mueve de un área
de baja presión a un área de alta presión
el flujo pierde energía. Cuando el ángulo
de ataque (ángulo formado entre cuerda alar y viento
relativo) del perfil es incrementado la gradiente de presión
adversa predomina causando que las moléculas ubicadas
en la región de alta presión tienda a fluir
hacia la región de baja presión. Todos estos
factores causan la separación de flujo.
NOTA:
Las áreas de alta presión tienen la tendencia
natural de moverse hacia área de menor presión.
El
flujo aerodinámico por encima de la capa limite no
es afectado por la fricción con la superficie alar,
esto significa que el flujo tiene mucha más energía
que la capa limite. Sería muy benéfico, aerodinámicamente
hablando, poder tomar esa energía extra del flujo
y “adicionarla” a la capa limite. Una hazaña de esta
magnitud podría retrasar la separación del
flujo pero, oh, espera… si se puede, aquí es donde
los generadores de vórtice entran en escena.
¿Cómo funcionan?
NOTA:
La capa límite es una muy delgada capa de aire que
se encuentra justo encima de la superficie del perfil aerodinámico
donde la fricción ralentiza y reduce la energía
del flujo de aire.
Los
generadores de vórtice actúan como pequeñas
alas, formando mini vórtices como los producidos
por alas de las aeronaves (vórtices de punta de ala),
estos mini vórtices controlados tienen un movimiento
circular que mezclan el flujo de alta energía y el
aire de baja energía en la capa limite, esta acción,
como ya lo habíamos mencionado anteriormente, contrarresta
hasta cierto punto el efecto producido por la gradiente
de presión adversa.
¿Cómo afecta el desempeño de la aeronave?
El perfil aerodinámico ahora puede gracias a los
generadores de vórtice operar a mayores ángulos
de ataque antes de que ocurra la separación de flujo
que produce la pérdida aerodinámica o stall.
Ese el ejemplo más común de su aplicación,
y se puede observar generadores de vórtice en aeronaves
de transporte de pasajeros y en aeronaves STOL (Short Take-Off
and Landing), sin embargo, también se utilizan generadores
de vórtice para retrasar la separación a vuelos
sónicos.
Como
punto en contra a los generadores de vórtice es que
aumentan ligeramente la producción de resistencia,
pero esta penalización es pequeña en comparación
al beneficio que presenta.
El
grafico a continuación muestra el incremento progresivo
de sustentación (CL) a medida que aumenta también
el ángulo de ataque (AoA) hasta que en un determinado
punto ocurre el desprendimiento de flujo llevando al perfil
al stall o perdida aerodinámica. El comportamiento
normal de un perfil es representado con una línea
de color celeste y la línea de color amarillo representa
el comportamiento de un perfil con generadores de vórtice
(GV).
Cuando el flujo aerodinámico a través de un
perfil alar alcanza velocidades cercanas a las del sonido
(mas específicamente velocidades sónicas y
trans-sónicas) se forman ondas de choque y, dependiendo
de la velocidad que alcance, se pueden formar ondas de choque
en el borde de ataque y próximos al borde de fuga,
pero, ¿cuál es el problema?
Cuando
el aire pasa a través de la onda de choque este pierde
energía de manera repentina, tal es la magnitud que
la separación del flujo puede ocurrir por detrás
de la onda de choque, de la misma manera que ocurre en una
perdida aerodinámica a baja velocidad, pero aquí
se presenta otro problema, las superficies de control como
por ejemplo los alerones si se encuentran por detrás
de una onda de choque su acción resultaría
nula debido a la falta de flujo a través de este,
lo que transformaría a la aeronave en incontrolable.
En
este caso, los generadores de vórtice toman el aire
de alta energía y la mezclan con el de la capa limite,
reduciendo la cantidad de energía que pierde el flujo
al pasar a través de la onda de choque, previniendo
la separación.
Artículo
redactado por: Rafael Paccieri F.
