En la parte anterior de esta serie (ver Recursos más abajo para el enlace), hubo una mirada a los libros de Martin Simons relacionados con los modelos de aviones y, en particular, cómo trataron el tema del centro de gravedad. Este mes, nos dirigimos a la discusión de Simons sobre otro tema de interés para la comunidad de vuelo de RC: los turbuladores. Comenzamos con los comentarios del curador Peter Scott y luego seguimos con el texto y las imágenes de los libros de Martin, a menos que se indique lo contrario. — Ed.

Este es más material de los excelentes libros de Martin Simons, esta vez sobre el tema de los turbuladores. El número de Reynolds es fundamental para el flujo de fluidos y siempre ha sido un misterio para mí. Los diseñadores de aeronaves utilizan modelos a escala en sus experimentos en túneles de viento, por lo que su experiencia es relevante para nosotros. Habrá más información sobre el número de Reynolds en un artículo futuro, pero como Martin lo menciona, he citado un breve relato de BYJU (ver Recursos , a continuación):

“El número de Reynolds es una cantidad adimensional que se usa para determinar el tipo de patrón de flujo como laminar o turbulento mientras fluye a través de una tubería. El número de Reynolds se define por la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas.

“Si el número de Reynolds calculado es alto (superior a 2000), entonces se dice que el flujo a través de la tubería es turbulento. Si el número de Reynolds es bajo (menos de 2000), se dice que el flujo es laminar.

“El número de Reynolds lleva el nombre del físico británico Osborne Reynolds. Descubrió esto mientras observaba diferentes características del flujo de fluidos, como el flujo de un líquido a través de una tubería. También observó que el tipo de flujo puede pasar de laminar a turbulento de forma bastante repentina”.

De aquí en adelante todo el texto y las imágenes son de los libros de Martin, en este caso solo dos.

modelo de vuelo

3.18 Flujo laminar y turbulento

En busca de una menor resistencia, se ha prestado mucha atención, en los últimos tiempos, al flujo de aire dentro de la capa límite, la capa de aire que es arrastrada por la fricción con la piel del ala en lugar de simplemente pasar por ella. La capa límite suele ser decisiva para decidir cuándo entra en pérdida un ala, ya que la separación comienza primero en esta capa. Dentro de la capa límite, ocurren dos tipos muy diferentes de flujo, laminar y turbulento (Figura 3.23).

Una capa límite laminar es aquella en la que el flujo cerca de la piel del ala está dispuesto en láminas o láminas muy finas que se deslizan suavemente unas sobre otras con muy poca resistencia por fricción. Una capa límite laminar crea poca resistencia a la piel. Una capa límite turbulenta está muy perturbada, las partículas se mueven hacia arriba, hacia abajo y hacia los lados rápidamente. Esto crea más arrastre por fricción en la superficie del ala. La capa límite turbulenta también es más gruesa que una laminar, por lo que el flujo aerodinámico general fuera de la capa límite tiene que pasar sobre lo que es, en efecto, una forma más gruesa que si la capa límite fuera toda laminar. Esto aumenta el arrastre de forma.

En los aviones de tamaño completo, la capa límite sobre un ala generalmente comienza de forma laminar, pero después de una distancia muy corta, el flujo de deslizamiento suave se rompe y la capa límite se vuelve turbulenta (Figura 3.24).

Se puede obtener una impresión visual aproximada de lo que sucede al observar la forma en que el agua se esparce sobre una superficie lisa, como el fondo de un baño o un fregadero, cuando se abre un grifo. El flujo es laminar al principio, pero a cierta distancia del punto donde incide el chorro de fluido se produce la transición superficial y prevalece el flujo turbulento, con un aumento de profundidad. La capa límite sobre un ala, aunque invisible, se parece mucho a esto. Una vez que se lleva a cabo la transición, el proceso no se puede revertir, por lo que la gran resistencia de la piel continúa en un ala detrás de la transición, hasta el borde de fuga. (Se han realizado experimentos con succión a través de pequeños orificios en el ala, para eliminar la capa límite turbulenta después de que se forma. Esto puede restaurar el flujo laminar, pero pronto cambia nuevamente a turbulento. La succión debe continuar hasta el borde de salida).

Defectos bastante pequeños, como cabezas de remaches y hoyuelos apenas detectables en la piel del ala, motas de mosca y pedacitos de pintura, pueden estropear incluso la pequeña cantidad de flujo laminar que existe. Por lo tanto, los aviones de tamaño completo suelen volar con capas límite completamente turbulentas.

3.19 Efectos de escala

Unos pocos centímetros por detrás del borde de ataque de un avión grande, la capa límite suele volverse turbulenta. Aunque el arrastre de la piel es alto, al menos el flujo de aire principal no se ve forzado a alejarse de la superficie. Las alas modelo se comportan de manera diferente a las de tamaño completo a este respecto. En un ala modelo, los pocos centímetros de flujo laminar pueden extenderse desde el borde de ataque hasta algún punto bastante atrás del ala, dependiendo de la cuerda del ala en cada punto y la velocidad de vuelo. Esto al principio suena como si un modelo debería tener una ventaja, en términos de arrastre de perfil.

Por desgracia, este no es el caso. Una capa límite laminar en un modelo de ala, solo porque crea menos arrastre superficial y tiene menos transferencia de energía de flujo al ala, tiende a separarse de la superficie por completo tan pronto como se pasa el punto de presión mínima (velocidad máxima de flujo). . En el peor de los casos, esta separación es total. El ala entra en pérdida muy temprano. Los modelos de vuelo libre lento con alas gruesas y cuerdas pequeñas sufren esta pérdida prematura y funcionan mal. En los modelos radiocontrolados, si el ala no es demasiado gruesa, lo que normalmente ocurre es la formación de burbujas de separación (Figura 3.25).

Cuando la capa límite laminar sale de la piel del ala, después de un breve retraso, generalmente se rompe en una capa turbulenta, que es más gruesa. Este aumento de grosor permite que se vuelva a unir al ala. Debajo del área separada hay una 'burbuja' de aire estancado que no se mueve río abajo con el flujo, sino que permanece en el ala, con una circulación propia. La burbuja de separación puede tener varios centímetros de largo en la dirección de la cuerda y, en un modelo pequeño, puede cubrir la mayor parte de la superficie superior del ala. Por lo general, también habrá una burbuja en la superficie inferior.

Cuanto más grande es el ala y más rápido vuela, menos importantes se vuelven estas burbujas de separación. Ocurren en planeadores de tamaño completo, pero en un ala grande a alta velocidad de vuelo, una pequeña burbuja de separación tiene poca influencia. En un modelo de ala, volando lentamente con una cuerda pequeña, una burbuja de este tipo puede causar un deterioro muy grave en el rendimiento. Crea una perturbación efectiva para el flujo de aire principal y esto crea un arrastre de forma adicional. El efecto de una burbuja de separación puede compararse con la apertura de un pequeño freno de aire, de unos pocos milímetros de altura, desde la punta del ala hasta la punta del ala, en el modelo. Por lo tanto, las alas modelo nunca son tan eficientes como las de tamaño completo.

3.20 Turbuladores

A veces mejora el rendimiento de un modelo de vuelo lento de cuerda pequeña si se puede prevenir la formación de una burbuja de separación activando la transición de la capa límite antes de que se alcance el punto de presión mínima en el ala. A veces, esto se puede hacer usando turbuladores (Figura 3.26).

Estas son tiras muy delgadas de cinta angosta, pegadas en el ala a lo ancho, a una pequeña distancia por delante del punto donde se espera que se desarrolle la burbuja de separación. El turbulador no debe ser demasiado grueso, ya que si lo es, podría tener un efecto peor en el rendimiento que la propia burbuja de separación. Hay alguna evidencia que sugiere que colocar la cinta en forma de diente de sierra fina o en zigzag produce un mayor efecto. Algunos pilotos de modelos también piensan que el uso de un material de cubierta de ala ligeramente áspero, como tela ligeramente dopada, en lugar de una película muy brillante o un acabado de pintura, ayuda a lograr la transición de la capa límite. Aquí hay muy poca información definitiva disponible como guía, pero vale la pena probar los turbuladores si tiene alguna duda sobre el rendimiento de un modelo en particular.

Las tiras de cinta se pueden colocar en su lugar y quitar con bastante facilidad, y se observa el cambio resultante en el comportamiento del modelo. También vale la pena investigar la idea de utilizar varios turbuladores o vigorizadores de la capa límite uno tras otro. La intención no es promover el flujo turbulento en toda el ala, sino preservar la capa límite laminar sobre la parte delantera del revestimiento hasta donde sea seguro hacerlo, y luego provocar la transición justo antes del punto de separación laminar. Los turbuladores pueden valer la pena tanto en la superficie superior como en la inferior del ala y, en la actualidad, la experimentación es el mejor medio para averiguar dónde deben colocarse.

El problema de la burbuja de separación es solo un aspecto del efecto de escala. Otro problema es causado por la viscosidad inherente del aire. El movimiento a través de fluidos viscosos, como la melaza, es mucho más difícil que a través de sustancias menos viscosas como el agua o el aire. Aunque el aire no es muy viscoso, sin embargo tiene cierta pegajosidad. Para un avión muy grande, esto es relativamente poco importante, pero para criaturas pequeñas, como jejenes y mosquitos, volar es extremadamente difícil. Para alas tan pequeñas, el aire parece casi melaza. Para compensar, los pequeños insectos baten sus alas a velocidades extremadamente altas, por lo que la velocidad del flujo de aire sobre sus superficies es bastante alta. Los modelos de aviones se encuentran entre estos extremos, no tan pequeños como los insectos, pero no tan rápidos como los aviones de tamaño completo. En relación con el tamaño del ala y la velocidad, la viscosidad relativa del aire aumenta la resistencia en todo momento. El modelo de vuelo rápido con gran cuerda alar siempre tiene una ventaja sobre el pequeño y lento con cuerda estrecha por esta razón, aparte de los efectos de burbuja de separación mencionados anteriormente. Los efectos de la viscosidad se sienten con más fuerza en las alas gruesas, que es otra razón para usar perfiles aerodinámicos delgados en los modelos, cuando se requiere una resistencia mínima.

El efecto de escala a menudo se expresa en términos del número de Reynolds o Re . Los aviones ligeros de tamaño completo con motor vuelan a números Re superiores a 1.000.000, los planeadores y los aviones ultraligeros bastante menos que esto a sus velocidades más bajas. Los modelos de carreras Pylon y los planeadores multitarea alcanzan Re aproximadamente 500,000 en sus velocidades máximas y cuerdas de ala más anchas. La mayoría de los modelos deportivos vuelan en Re alrededor de 100.000 hasta 300.000. Los mosquitos y otros insectos pequeños están en el rango de 5 a 10,000 Re.

aerodinámica de aeromodelismo

8.4 El radio del borde de ataque

La razón de la baja Re crítica de estos perfiles fue, argumentó Schmitz, su combinación de un radio de punta o borde de ataque muy pequeño y una curvatura de la superficie superior relativamente pequeña. El punto de estancamiento del flujo de aire cerca del borde de ataque de un ala en un ángulo de ataque positivo siempre está ligeramente por debajo del borde de ataque geométrico. La capa límite comienza su viaje sobre la superficie superior fluyendo alrededor del propio borde de ataque. En ángulos de ataque altos, el flujo en esta vecindad es incluso ligeramente aguas arriba (Fig. 8.7).

Desde el estancamiento cercano, la capa límite se mueve hacia una región de baja presión en la superficie superior y se acelera. Si el perfil tiene un borde de ataque suavemente redondeado de gran radio, como suelen tener las superficies aerodinámicas gruesas, la capa límite puede seguir esta curva fácilmente y permanece laminar. Si el radio del borde de ataque es pequeño, la capa límite se ve obligada a fluir alrededor de una curva muy pronunciada o incluso un borde en forma de cuchillo, cambiando de dirección muy bruscamente mientras acelera rápidamente hacia el punto de baja presión que, en perfiles de este tipo temprano, se encuentra sólo una pequeña distancia detrás del borde de ataque. Se puede esperar que la inercia de la capa límite supere las fuerzas viscosas en este cambio repentino de dirección y se separe de la superficie del ala. Se vuelve a unir inmediatamente se pasa la esquina, pero una burbuja de separación muy pequeña, lo que Schmitz llamó un 'vórtice enrollado', se forma en la capa límite. El pequeño radio del borde de ataque introduce cierta turbulencia artificial en el flujo de aire, lo que fomenta una transición temprana. La reconexión no es instantánea. Se forma una burbuja de separación y la capa límite se vuelve a unir a cierta distancia por detrás del borde de ataque.

8.5 Turbuladores

El efecto del borde de ataque afilado es muy similar al de un cable turbulador en la corriente principal delante del borde de ataque. Se obtiene un efecto similar montando, sobre o justo detrás del borde de ataque, una 'banda de disparo' elevada o turbulador de borde de ataque, que puede ser de varias formas y tamaños. En cada caso, lo que se requiere es una breve burbuja de separación seguida de una reincorporación turbulenta aguas abajo. Un turbulador que sea demasiado pequeño no logrará la transición temprana, pero uno que sea demasiado grande, puede por sí mismo causar la separación del flujo.

Una vez que la capa límite ha sido forzada a entrar en turbulencia, sigue siendo importante que no se separe de la superficie superior. Un perfil con un turbulador o un borde de ataque afilado aún requiere que el aire fluya contra un gradiente de presión adverso una vez que ha pasado el punto de presión mínima. Un perfil delgado presenta una tarea menos formidable para la capa límite, por lo que se puede evitar la separación en la superficie superior. En la parte inferior, en ángulos de ataque altos, la separación del flujo es poco probable ya que una vez que se pasa el punto de estancamiento, el flujo tiende a seguir de cerca la superficie de un perfil delgado. En ángulos de ataque bajos, la separación de la parte inferior es muy probable detrás del borde de ataque, pero aún es probable que se vuelva a unir antes del borde de salida.

8.6 Burbujas de separación

Schmitz no investigó en detalle el tamaño de las burbujas de separación sobre sus superficies aerodinámicas y, como se muestra en la Fig. 8.3, pueden ser muy extensas. El perfil Go 801 probado por Kraemer tiene un espesor menor que el N60 (10% frente a 12,6%). Tiene un radio de punta ligeramente más pequeño, pero una mayor inclinación (7 % al 35 % en comparación con 4 % al 40 %). Por lo tanto, se acerca un poco más al perfil de placa curva delgada, y su Re crítico es ligeramente inferior al de N60. Algunas mediciones detalladas realizadas por Charwat en la Universidad de California en 1956-1957 mostraron que un perfil con la forma que se muestra en la figura 8.8, con un radio de punta pequeño de 0,7 %, también presentaba burbujas de separación muy similares a las del perfil 801. El perfil aerodinámico en este caso, diseñado por Seredinsky siguiendo una de las sugerencias de Schmitz, se basó en un perfil de tipo ortodoxo, pero la parte inferior del borde de ataque se cortó para producir un perfil con espacio para los largueros de las alas, pero con las ventajas de un radio de borde de ataque pequeño. En estas pruebas, se formó una burbuja de separación sobre alrededor del 35 al 40% de la cuerda. Por encima de un ángulo de ataque de 7°, la burbuja se movió hacia adelante. Se produjo una separación de flujo turbulento en la parte trasera antes de la parada, pero el perfil funcionó bien.

El efecto de la formación y el movimiento de las burbujas de separación es de considerable importancia. La burbuja es lo suficientemente grande como para desviar la corriente de aire principal sobre la superficie superior alrededor de un camino más largo, como si el perfil estuviera más combado. Se ha establecido que un perfil con el punto de camber máximo hacia adelante desarrolla un alto coeficiente de sustentación máxima. El resultado de este aumento de camber efectivo junto con el movimiento de la burbuja hacia adelanteen ángulos de ataque altos, es aumentar la pendiente de la curva de sustentación por encima de lo que predice la teoría. La evidencia que existe de las operaciones con modelos tiende a confirmar que algunos perfiles aerodinámicos en pequeños modelos de vuelo libre se comportan de manera errática. Esto puede ser atribuible al desplazamiento de la burbuja de separación y su efecto de aplanamiento en la curva de presión a lo largo de la cuerda, de un lado a otro en el ala a medida que el ángulo de ataque varía ligeramente. Las presiones fluctuantes sobre el perfil provocan cambios bruscos del momento de cabeceo que ya es grande debido a la gran curvatura de tales alas. El ciclo de histéresis es causado por el estallido y la nueva formación de la burbuja de separación. Un modelo en esta región crítica de Re, capaz de un vuelo estable en aire tranquilo, puede volverse incontrolable en condiciones adversas. Estos factores se unen a las cualidades inherentemente sensibles al cabeceo del ala de alta relación de aspecto para hacer que las dificultades de los operadores de planeadores modelo sean más severas. Siempre que se puedan superar estos problemas, no hay duda de que, para un alto rendimiento a muy baja Re del ala, los perfiles delgados, con un radio de borde de ataque pequeño, con la curvatura adecuada, son excelentes.

Al agregar turbuladores a perfiles más gruesos, se puede mejorar el rendimiento a baja velocidad. Los turbuladores utilizados por Schmitz y otros generalmente eran cables montados por delante del borde de ataque en estabilizadores livianos. Para modelos prácticos, los alambres pueden ser reemplazados por delgadas cuerdas elásticas o de plástico. Estos son, sin embargo, una molestia en la operación y la 'franja de disparo' del borde de ataque es más fácil de manejar. Tales tiras tienen la ventaja de que se pueden sujetar ligeramente con alfileres o 'pegarlas con tachuelas' en varias posiciones para probarlas, y se pueden mover o cambiar de tamaño para dar los mejores resultados. Si el Re crítico del perfil elegido ya es bajo, los turbuladores no pueden tener mucha influencia en el rendimiento del aire en calma. Sin embargo, al activar la separación en un punto fijo del ala, probablemente estabilizan la posición de la burbuja de separación, reduciendo las fluctuaciones del coeficiente de momento.

8.7 Los efectos de estructura y superficie

Los modelos construidos con líneas tradicionales pueden tener turbuladores incorporados. El pandeo del tejido u otra cubierta delgada detrás del larguero del borde de ataque entre las nervaduras crea una protuberancia en el perfil. Esto puede tener un efecto beneficioso en la transición, y el buen desempeño de algunos modelos pequeños y livianos solo puede explicarse de esta manera. Entre sus pruebas en el Go 801, Kraemer incluyó pruebas de un modelo cubierto de papel que mostró que el flujo subcrítico prevaleció hasta Re 42,000, comparable con la misma superficie aerodinámica con un cable turbulador. Resultados del túnel de viento en una serie de alas cubiertas de madera de balsa y tejido, realizados en la Universidad de Stuttgart e informados por el Dr. D Althaus (Profilpolaren fur den Modelflug, vol.2) han mostrado el mismo efecto en velocidades y tamaños de alas de modelos de vuelo libre. Esto sugiere que los intentos de los modeladores de preservar perfiles muy precisos sobre la parte delantera de las alas bajas de los modelos pequeños a veces son erróneos. El borde de ataque simple cubierto de tejido o película puede resultar más eficiente que uno con una superficie perfecta, especialmente si el perfil del ala utilizado es del lado grueso con un radio de borde de ataque grande. Debe enfatizarse, sin embargo, que cuando el modelo es lo suficientemente grande o lo suficientemente rápido para evitar problemas subcríticos de Re, los turbuladores y las irregularidades de la superficie en el borde de ataque hacen que la resistencia aumente y cl max [coeficiente de sustentación] disminuya . Esto puede confirmarse mediante el estudio de los muchos otros resultados de pruebas de túnel de viento ahora disponibles.

El tipo de ala de Seredinsky (Fig. 8.8) se asemeja al perfil del ala de algunas aves voladoras más grandes. Aunque es difícil de construir, puede resultar efectivo en modelos más pequeños o modelos con una relación de aspecto muy alta y cuerdas móviles pequeñas. El borde de ataque es similar al de una placa curva simple, pero el engrosamiento del perfil en la parte inferior proporciona espacio para un larguero principal fuerte sin mucho efecto en el flujo de la superficie superior.

8.8 Vigorizadores de la capa límite

La investigación realizada por Martyn Presnell en un túnel de viento en Hatfield mostró que las mejoras en el rendimiento de los modelos de planeadores de vuelo libre y los aviones de goma se pueden lograr mediante el uso de múltiples 'tiras de viaje' o, en la terminología de Presnell, 'vigorizadores'.

Las alas de prueba que utilizan el Benedek 6356b se construyeron con materiales como los que se utilizan en un modelo típico de planeador FI A (A2). Se utilizaron costillas y largueros de madera de balsa, recubriéndose la armadura con papel de seda, dopado. En un caso, el tercio delantero del ala fue desollado con una lámina delgada de balsa. No sólo se levantaron y

Se midieron las fuerzas de arrastre, pero se realizaron algunas pruebas de visualización de flujo. Estos implican recubrir el ala de prueba con queroseno pigmentado para revelar la naturaleza de la capa límite. Donde la capa límite es turbulenta, el queroseno se evapora rápidamente, dejando una película de pigmento. Dentro de la burbuja de separación laminar, la evaporación es menos rápida, por lo que se puede ver el flujo de aire más cercano a la piel del ala a medida que el líquido se mueve río arriba {}. En las regiones de flujo completamente laminar, el queroseno permanece líquido por más tiempo y fluye en la dirección normal aguas abajo. El punto de separación del flujo y la unión aguas abajo de la burbuja se pueden descubrir para cada ángulo de ataque. (Los modelistas a veces han notado que, cuando se vuela al final de la tarde o temprano en la noche cuando cae el rocío, el rocío depositado en un ala antes del vuelo todavía estará presente después del vuelo en los bordes de ataque donde el flujo es laminar, pero se evapora de las partes traseras del ala donde se esperan capas límite turbulentas). En las pruebas de Presnell, la adición de un solo El turbulador al 5% de la cuerda del ala mejoró las cifras de sustentación y resistencia medidas, como se esperaba, en números de Reynolds por debajo de 40,000, aunque la burbuja de separación todavía estaba presente. El turbulador constaba de una delgada tira de cinta plástica adhesiva de 0,15 mm de espesor y 0,75 mm de ancho, que se extendía transversalmente. 000, aunque la burbuja de separación seguía presente. El turbulador constaba de una delgada tira de cinta plástica adhesiva de 0,15 mm de espesor y 0,75 mm de ancho, que se extendía transversalmente. 000, aunque la burbuja de separación seguía presente. El turbulador constaba de una delgada tira de cinta plástica adhesiva de 0,15 mm de espesor y 0,75 mm de ancho, que se extendía transversalmente.

Luego se descubrió que la adición de más tiras de la misma cinta delgada en varias posiciones en la cuerda detrás del turbulador resultó en mejoras adicionales de las cifras de sustentación y resistencia. Los mejores resultados con Re por debajo de 70 000 se encontraron con cinco de estos vigorizadores en las posiciones que se muestran en la Figura 8.9. El turbulador original del 5% permaneció en su lugar durante todo el proceso.

Presnell notó que colocar un vigorizador dentro de la burbuja de separación, como lo revela el queroseno, no hizo ninguna diferencia detectable. El primer vigorizador debe colocarse justo detrás del punto de reinserción y los otros espaciados sobre la parte trasera del ala en la capa límite turbulenta. El mecanismo exacto de los vigorizantes no se entiende completamente en la actualidad. Puede ser que ayuden a que la capa límite ya turbulenta permanezca adherida al ala después de que la burbuja haya pasado. Presnell señaló que varios volantes de modelos de concursos líderes utilizaron estimulantes con éxito.

©1978, 1988 Martín Simons

Recursos

• Desktop Wind Tunnel de Mark Waller en YouTube: “No estoy seguro de por qué hice esto. ¡Solo un poco de diversión durante el encierro y para satisfacer mi curiosidad natural! Es una oportunidad para tratar de fotografiar algunas imágenes geniales del flujo de aire en diferentes situaciones…”
• ¿Qué es un número de Reynolds? por BYJU. — “una cantidad adimensional que se utiliza para determinar el tipo de patrón de flujo como laminar o turbulento mientras fluye a través de una tubería. El número de Reynolds se define por la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas…”

• Redescubriendo a Martin Simons: Parte IV - Centro de gravedad como se discute en los libros de modelos de aviones del destacado autor.

• Planeando Con Radio Control
• modelo de vuelo
• aerodinámica de aeromodelismo