¿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 afectada 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. 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, 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.

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