Previo cuarto programa (28/10/09)

Todo tecnología. Alerones. II

Seguimos con las características fundamentales de los alerones. Hace un par de semanas se analizaron los parámetros que caracterizan un alerón de un sólo plano (ver el topic del segundo programa). En particular, se discutió el efecto del ángulo de ataque de un alerón sobre el coeficiente de sustentación. A continuación se muestra el campo de presiones (en realidad, se muestran los valores del coeficiente de la presión, Cp, que está íntimamente relacionado con la presión que existe alrededor del ala). Se muestra una secuencia de una ala (en particular un ala NACA 0012, es decir, un ala simétrica y sin curvatura) con diferentes valores del ángulo de ataque, desde 0º hasta 15º. Es interesante no sólo visualizar el campo de presiones, sino cómo Cl, el coeficiente de sustentación (lift coefficient, que es negativo, es decir, genera carga aerodinámica) aumenta a medida que el ángulo de ataque aumenta. También es interesante observar cómo el Cd, el coeficiente de arrastre (drag coefficient), relacionado con la fricción o resistencia, aumenta al aumentar el ángulo de ataque.

En la primera gráfica, mostrada en el topic del segundo programa, se observa el efecto que tiene el aumento del ángulo de ataque sobre el coeficiente de sustentación. Como se puede observar, al elevar el ángulo de ataque se aumenta la carga aerodinámica, hasta un cierto límite, en el que el alerón deja de generar carga aerodinámica.

A continuación se pueden visualizar las líneas de flujo y el coeficiente de presión para una sección NACA0012 (básicamente en una sección estándar de ala simétrica). Hay que tener en cuenta que las simulaciones se realizaron para el caso de un ala infinita (no es un ala real tridimensional y finita), y que la aplicación utilizada no tiene en cuenta la turbulencia, y por tanto, no predice la entrada pérdida del ala para ángulo de ataque muy elevados. Son, por tanto, resultados cualitativos, pero que sirven para visualizar de un modo más realista cómo es el flujo en una sección alar. De arriba hacia abajo, se muestran los flujos de alas simétricas, con ángulos de ataque de 0º, 5º, 10º y 15º.

Otra figura mostrada en el topic del segundo programa fue el efecto de la curvatura (alerón simétrico y no simétrico).

En las figuras que se muestran más abajo, se observa el flujo de aire sobre un alerón tipo NACA0012 (modificado para incluir cierta curvatura o asimetría entre las superficies superior e inferior). En particular, de arriba hacia abajo, tenemos el flujo sobre alerones con un 5%, 10% y 15% de curvatura respectivamente (el tanto por cierto se refiere al porcentaje sobre la cuerda del ala, es decir, la distancia entre el borde de ataque y el borde de fuga).








Finalmente, es interesante mostrar el flujo sobre alerones no simétricos que tiene un ángulo de ataque diferente de cero. En la siguiente secuencia se observa un alerón tipo NACA0012 (modificado con una curvatura del 10%) con ángulos de ataque 5º, 10º y 15º. Es interesante poner de manifiesto las diferencias entre estos flujos (en particular, de los coeficientes de sustentación y arrastre de alerones con curvatura).

El resto de la sección 'Todo tecnología' del programa se hoy se dedicará a explicar cómo generar carga aerodinámica haciendo uso de varios planos en el alerón, incluyendo 'slats. El resto de tópicos se encuentran en la parte correspondiente al segundo programa.

Previo segundo programa (14/10/09)

Todo tecnología. Alerones.

Como mencioné con anterioridad, he aquí un adelanto gráfico de lo que se hablará esta tarde en la seccción Todo tecnología del programa de esta tarde. En la primera figura podemos ver los parámetros que caracterizan un alerón de un sólo plano. Todas las magnitudes que aquí aparecen y otras que se mencionarán por la tarde, se definirán convenientemente.

Es importante, antes de seguir, entneder qué significa que un alerón entra en pérdida, o que el flujo de aire se separa. La figura siguiente muestra, de manera esquemática, como el flujo de aire por la parte inferior del ala se 'desprende', produciendo la entrada en pérdida del alerón, o en otras palabras, dejando de generar carga aerodinámica.

En el programa discutiremos el efecto de diferentes parámetros sobre el coeficiente de sustentación (a mayor coeficiente de sustentación, mayor carga aerodinámica, y por tanto, mayor agarre del vehículo al asfalto). En realidad, la carga aerodinámica depende de la densidad del aire, de la velocidad del flujo al cuadrado, del área del alerón y del coeficiente de sustentación.

En la primera gráfica se muestra el efecto con el ángulo de ataque. Es interesante ver que al aumentar el ángulo de ataque se aumenta la carga aerodinámica, hasta un cierto límite, en el que el alerón deja de generar carga aerodinámica.

Las siguientes dos figuras muestran el efecto del grosor del alerón y de la curvatura (alerón simétrico y no simétrico).

Veremos también que la forma de generar mayor carga aerodinámica pasa por disponer de mayor área de ala (restringido por normativa generalmente) o aumentar el coeficiente de sustentación. Para ello se suelen usar alerones con varios planos. En las dos siguientes figuras se muestras dos tipos de configuraciones de alerones con un flap adicional colocado en el borde de fuga del plano principal.

La gráfica siguiente muestra el efecto sobre el coeficiente de sustentación, en función del ángulo de ataque, de la curvatura y de la presencia de flap. Es interesante, no sólo el aumento drástico del coeficiente de sustentación, sino también del adelantamiento (en ángulo de ataque) de la entrada en pérdida.

Si aún queremos o necesitamos más carga aerodinámica podemos añadir un flap adicional, y visualizar su efecto en la gráfica de más abajo. Incluso, en la tercera figura, vemos una solución adapata hace años en la CART, en la que se añadió un cuarto flap en configuración extrema.

Cuando se dispone de alerones con múltiples flaps, que generan grandes cantidades de carga aerodinámica, el conjunto suele entrar en pérdida con prontitud. Para evitar todo esto se suele recurrir al posicionamiento de una aleta o en inglés slat, que no es más que otro flap. El efecto sobre el coeficiente de sustentación es bien claro, como se ve en la gráfica inferior.

Pero todo esto no es nuevo, apareció hace mucho tiempo en los aviones y hoy en día se sigue usando en aviones comerciales.

Finalmente, no sé si hoy podremos hablar de ello, es importante tener en cuenta que el alaerón no es bidimensional, sino tridimensaional, y por tanto, deber tener un fin, o en términos más técnicos, condiciones de contorno. Ahí entran las derivas laterales (endplates en inglés).

Otro recurso muy usado, más específico de vehículos de competición, son los flaps de Gurney, de los que también hablaremos.

Finalmente, el efecto suelo, o interacción del alerón con el suelo, es de vital importancia, como muestra la gráfica siguiente.

Las formas de los alerones delanteros, que no sólo generan carga aerodinámica, sino también modelan el flujo que entra por delante del monoplaza, para canalizar el aire por debajo del fondo, por encima, evitar que el aire llegue directamente a los neumáticos, y y al mismo tiempo permitiendo canalizar el aire adecuadamente a los pontones laterales para la refrigeración del motor. Casi nada!