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  • Optimización de las aletas para un arrastre mínimo, vuelo más eficiente

    A pesar de que, los winglets han existido desde mediados de la década de 1970, todavía hay una gran variedad de formas, tamaños y ángulos. El objetivo de los investigadores de la Universidad de Illinois, Phillip Ansell, fue analizar los winglets para encontrar las características óptimas que den como resultado la menor resistencia neta para un avión. Kai James, y el estudiante de posgrado Prateek Ranjan. Crédito:Debra Levey Larson

    A pesar de que, los winglets han existido desde mediados de la década de 1970, todavía hay una gran variedad de formas, tamaños y ángulos.

    Si alguna vez sacó una foto por la ventana de un avión comercial, lo más probable es que tenga un gran golpe de ala, esa parte del ala en la punta que se inclina hacia arriba. Ese pequeño cambio en la forma de la punta del ala hace mucho. Reduce la resistencia lo que puede traducirse en una velocidad más alta o para permitir que un piloto acelere y ahorre combustible. También ayuda a reducir los vórtices en la punta de las alas que pueden ser problemáticos para los aviones que vuelan a su paso.

    A pesar de que, los winglets han existido desde mediados de la década de 1970, todavía hay una gran variedad de formas, tamaños y ángulos. El objetivo de los investigadores de la Universidad de Illinois, Phillip Ansell, fue analizar los winglets para encontrar las características óptimas que den como resultado la menor resistencia neta para un avión. Kai James, y el estudiante de posgrado Prateek Ranjan.

    "Muchos estudios académicos sobre diseños de alas no planas idealizan las aletas instaladas con un giro brusco de 90 grados en las puntas, aunque hay muchas cosas potencialmente malas en tener estas coyunturas agudas. Debido a que las aeronaves individuales tienen un conjunto único de restricciones y requisitos, es difícil hacer generalizaciones sobre cómo se debe diseñar una aeronave, "dijo Ansell, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Aeroespacial de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Illinois. "Sin embargo, al mirar sistemas de alas no planas, destilamos el problema a algo muy específico y canónico. Usamos un método de optimización de fidelidad múltiple, comenzando con algoritmos matemáticos muy simples para comprender mejor el espacio de diseño con una precisión de más o menos 10 por ciento, luego ejecutó simulaciones más avanzadas para comprender cómo la aleta influye en el campo de flujo y el rendimiento del ala ".

    En su investigación, el equipo se centró en un diseño de ala no lineal, conocido como configuraciones de ala con arco hiperelíptico (HECS), donde la proyección vertical del ala se puede describir matemáticamente usando la ecuación de una hiperelipse.

    "Resumimos la geometría del ala en algo muy simple, ", Dijo Ansell." Expresamos la no planaridad del ala, lo curva que es, qué tan altas son las puntas de las alas, etc., utilizando ecuaciones para una hiperelipse. Ahora podemos cambiar fácilmente los valores en la ecuación para encontrar la vela de mejor rendimiento mientras intercambiamos una curvatura más pronunciada o más suave a medida que se acerca a la punta. así como alturas de aletas más grandes o más pequeñas ".

    Ansell dijo que el algoritmo comenzó con una elevación fija, un tramo proyectado fijo, un momento flector fijo del ala, y un peso fijo, para generar un ala que tenga la resistencia mínima y, en última instancia, sea más eficiente.

    "Mientras que otros han estudiado alas no planas con diseños combinados de aletas, la mayoría solo ha mirado el aspecto llamado 'no viscoso' de la resistencia del ala, ignorando las complejas fuentes de arrastre introducidas por la viscosidad del aire, ", Dijo Ansell." Pero eso es sólo la mitad de la imagen. En nuestra formulación, Incluimos estas fuentes de arrastre viscoso porque tienen una influencia sustancial en la eficiencia neta del ala. Por ejemplo, Es fácil reducir la resistencia no viscosa del ala agregando aletas muy altas en las puntas con uniones muy afiladas. Sin embargo, hay una clara penalización de arrastre viscoso al hacerlo, que reduce la efectividad de dicho diseño en la práctica ".

    "Al realizar un riguroso procedimiento de optimización numérica, pudimos explorar sistemáticamente el espacio de posibles diseños, y, en última instancia, obtener diseños que pueden parecer inusuales, y que nunca podríamos haber predicho basándonos en la mera intuición, "dijo Kai James, también profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Aeroespacial.

    Ansell dijo que este marco de optimización integrado ayudará al estado actual del diseño de alas de baja velocidad, pero también puede resultar en una mejora con respecto a los diseños de alas convencionales actuales. operando en el régimen de vuelo subsónico.

    Investigación para el periódico, "Configuraciones óptimas de tramo de arco hiperelíptico para un arrastre mínimo, "fue dirigido por Prateek Ranjan, Phillip Ansell, y Kai James. Aparece en el Diario de aviones.


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