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PERFILES AERODINÁMICOS
Marco Agustín Pedroza García*
Ingeniería Aeronáutica – 5AM1
* Instituto Politécnico Nacional
Unidad Profesional Interdisciplinaria de Ingeniería Campus Guanajuato.
Av. Mineral de Valenciana No. 200, Col. Fracc. Industrial Puerto Interior, Silao de la Victoria, Gto. México.
Introducción
Un perfil aerodinámico es un cuerpo con un diseño determinado, el cual aprovechara al máximo las fuerzas que se originan por la variación de velocidad y presión cuando este se sitúa dentro de una corriente de aire. Un perfil aerodinámico se define como la sección transversal de un ala en una aeronave.
Fig1. Fuerzas actuando en un perfil aerodinámico
La resistencia y la sustentación son las resultantes de las fuerzas de presión y las debidas a esfuerzos cortantes sobre la superficie del cuerpo. Si determinamos las distribuciones de presiones y de esfuerzos cortantes sobre la superficie, se puede obtener por integración las fuerzas aerodinámicas.
Las dos fuerzas más importantes, de las cuales se busca el equilibrio con el perfil aerodinámico, son la sustentación y la resistencia.
Los verdaderos artífices de las fuerzas aerodinámicas son el cortante y la presión.
Página | 2-14 Geometría del perfil aerodinámico
Fig. 2. Geometría del perfil
Variables Geométricas en los Perfiles
En la geometría de un perfil existen cuatro variables principales:
1. Configuración de la línea de curvatura media. Si esta línea coincide con la línea de cuerda, el perfil es simétrico. En los perfiles simétricos la superficie superior e inferior tiene la misma forma y equidistan de la línea de cuerda.
2. Espesor.
3. Localización del espesor máximo.
4. Radio del borde de ataque.
Evolución Histórica de los Perfiles
Fig 3. Evolución del perfil aerodinámico
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Clasificación de los perfiles aerodinámicos.
Según forma:
Asimétricos (con curvatura)
Simétricos
Según sus características:
Laminares (de baja resistencia)
De alta sustentación
De bajo momento (el perfil tiene poca tendencia a girar hacia adelante)
Críticos (el ángulo de pérdida es mayor)
Delgados (tienen menos resistencia, pero la sustentación no disminuye demasiado)
De carga (son muy gruesos, causan mucha sustentación y poseen mucha resistencia)
Populares (no tienen ninguna característica en especial, pero son lo más comunes)
STOL (Short Take Off and Landing= Despegue y aterrizaje cortos, tienen Slats, que son una parte del ala que se abre hacia adelante para redirigir el aire hacia la parte superior del perfil, y flaps, para aumentar la sustentación, aumentando exageradamente el angulo y
disminuyendo exageradamente la velocidad de pérdida)
Según orientación del diseño hacia un rango de velocidades de operación:
Subsónicos
Transónicos
Supersónicos
Figura 4: Diferentes Geometrías de perfiles aerodinámicos. a).- Perfil empleado en aerogeneradores, b).- Perfil transnóico empleado en rotores de helicópteros, c).- Perfil transónico a bajos números de Reynolds (experimental), d).- Perfil empleado en el ala de la aeronave BOEING-737 (sección intermedia del ala), e).- Perfil empleado en la aeronave de propulsión humana Daedalus, f).- Perfil Eppler diseñado para bajos números de Reynolds, g).- Perfil Eppler Diseñado para planeadores, h).- Perfil Eppler Diseñado para aeronaves de baja velocidad, i).- Perfil Liebeck de alta eficiencia aerodinámica, j).- Perfil de flujo laminar.
Página | 4-14 Los perfiles aerodinámicos, según su geometría, se clasifican en distintos tipos:
• Perfil Simétrico
Anderson precisa que un perfil simétrico es un perfil sin combadura, es decir, la línea de curvatura media y la línea de cuerda coincide. Claramente en los perfiles simétricos la parte superior del perfil (extrados) es una imagen reflejo de la parte inferior (intrados). Debido a esta condición geométrica, el perfil simétrico tiene un bajo costo y es de fácil construcción con respecto a un perfil asimétrico.
Fig 5. Perfil Simétrico
• Perfil Asimétrico
Los perfiles asimétricos tienen la ventaja de generar mayor levantamiento y mejores prestaciones ante la entrada en pérdida de sustentación o desplome, la cual ocurre a altos ángulos de ataque.
Fig 6. Perfil Asimétrico
• CÓNCAVO-CONVEXO: Estos perfiles se caracterizan por tener el intradós cóncavo y el extradós convexo.
Son perfiles de bajo espesor y de gran sustentación usados en veleros de uso general, en los que se busca una alta velocidad. Los perfiles cóncavo-convexos fueron ampliamente usados en aviones de combate, sobre todo en los biplanos de la Primera Guerra Mundial.
• DOBLE CURVATURA: Denominados así porque tanto el extradós como el intradós poseen una doble curvatura. Es decir, ambos están formados por una línea ondulada con el borde de fuga levantado de manera que se trata de perfiles auto-estables. Debido a esta característica son ideales para ser usados en las alas volantes (aviones sin empenaje de cola), y en los aviones con alas en flecha.
• BICONVEXO-SIMÉTRICO: Tanto el extradós como el intradós poseen la misma curvatura, siendo simétricos respecto a su cuerda. Estos perfiles son utilizados preferentemente por aviones acrobáticos para una mejor ejecución de las figuras.
• SEMI-SIMÉTRICO: Quizás los perfiles más usados en aerodinámica sean los de estos tipos, denominados así por tener una curvatura convexa en el intradós. Son utilizados en casi todo tipo de aviones porque son de fácil construcción y pueden ejecutar cualquier figura acrobática, aunque con ciertas limitaciones.
• PLANO-CONVEXO: Denominados así por tener el extradós convexo, y el intradós plano casi en su totalidad. Es el tipo de perfil idóneo para ser utilizado en aviones entrenadores, en los que debe primar el vuelo lento y seguro. Entre los perfiles plano-convexos se encuentra el modelo Clark Y. Este tipo de perfil, posee excelentes características aerodinámicas gracias a su intradós plano y a su 12% de espesor.
Página | 5-14 Los perfiles aerodinámicos, según sus características, se clasifican en distintos tipos:
Perfiles Laminares
Para disminuir la resistencia de fricción de un perfil interesa mantener la capa límite laminar a lo largo de la mayor parte del extradós del perfil.
Diseño de perfiles laminares:
„ • perfiles en los que el mínimo de presión en el extradós se presente lo más atrás posible
„• la transición de capa límite laminar a turbulenta se retrase lo más posible
„• la capa límite laminar es más estable cuando se enfrenta a gradientes favorables de presión.
Estos perfiles requieren que la rugosidad de la superficie sea muy pequeña, para evitar una prematura transición al régimen turbulento.
Se puede posponer la transición si se controla el crecimiento que la C.L.
Al restringir el espesor de la C.L., se mantiene su estabilidad mucho más tiempo que si creciera naturalmente.
Este control de la capa límite puede efectuarse succionando el aire a través de ranuras u orificios practicados en la superficie del ala, o a través de una superficie porosa.
La disminución de la resistencia llega a valores del orden del 30 al 50% respecto de perfiles normales, en los que la sección de máximo espesor está en torno al 30% de la cuerda.
Para ángulos de ataque pequeños Cd disminuye a valores muy pequeños.
Los perfiles laminares se utilizan en la construcción de planeadores.
Perfil de alta sustentación
La principal superficie aerodinámica es el ala. Debido a que produce la resistencia, la forma de su sección transversal (el perfil) ha de alcanzar la mayor eficiencia posible. Una medida de la eficiencia de un perfil es la relación entre sustentación y resistencia (S:R). Otra medida de sus cualidades es el
"parámetro de potencia", que es semejante al S:R pero concede más importancia a una elevada sustentación. Cuanto mayor es el parámetro de potencia, menor es la potencia necesaria para mantener el vuelo. Lo principal en las aeronaves de propulsión humana es la baja potencia; por tanto, un parámetro de potencia alto importa más que un gran S:R. Para obtener un parámetro de potencia alto, un perfil debe ser capaz de proporcionar una elevada sustentación sin inducir una resistencia excesiva.
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Introducción a los Perfiles Subsónicos, Transónicos y Supersónicos en Aeronaves.
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Perfiles Subsónicos
Son aquellos perfiles utilizados para aeronaves destinadas a volar no más allá de la velocidad del sonido. Un perfil alar para aviones subsónicos tiene mayor sustentación cuanto mayor es el espesor del perfil, la sustentación en estos perfiles se produce por la diferencia de presión entre la parte superior e inferior del perfil alar, lo cual crea una fuerza sustentadora y esa diferencia de presión se hace mayor cuando mayor es el espesor del perfil.
Usualmente su centro aerodinámico esta a 25 - 50 % de la cuerda. Tienen bordes mas redondeados que los perfiles supersónicos.
Características:
• Simétricos: extradós e intradós con misma curvatura
• Asimétricos: Intradós con curvatura más profunda que extradós
• Espesor de dimensión media o alta
• Angulo de desplome bajo (aprox. 18 a 20°) Ejemplos
Aplicaciones
Alas de aviones acrobáticos, estabilizadores verticales y horizontales.
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Perfiles Transónicos
Perfiles aerodinámicos supercríticos se caracterizan por su superficie superior aplanada, muy arqueada (curvada) sección trasera, y un mayor radio de borde de ataque en comparación con las formas tradicionales de la superficie de sustentación. Un perfil aerodinámico supercrítico es un perfil diseñado, principalmente, para retrasar la aparición de ondas de resistencia en el régimen de velocidad transónica. Señala que a velocidades más altas se tienen los perfiles en el rango transónico, aquí se desea diseñar perfiles supercríticos y la optimización de los perfiles básicos para mover la onda de choque dondequiera que ocurra (minimización de la resistencia al avance). Se desea limitar las pérdidas por resistencia aerodinámica de la onda de choque a una velocidad transónica. El problema de diseño transónico es crear una sección de perfil con elevado levantamiento y/o espesor sin causar fuertes ondas de choque. Una regla general es que los números de Mach locales máximos no deben exceder aproximadamente de 1.2 a 1.3 sobre un perfil supercrítico bien diseñado.
Características:
• Pueden ser supercríticos o delgados
• Supercrítico extradós casi plano, intradós y borde de salida muy curvo
• Máximo espesor de dimensión alta
• Reduce el consumo de combustible a velocidades a velocidades típicas de entre 0.7 y 0.9 mach Ejemplos
Aplicaciones Aviones comerciales.
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Perfiles Supersónicos
Los perfiles supersónicos son delgados y de poco espesor, y el principio de sustentación de los mismos se basan en las diferentes ondas de expansión y compresión que se producen en la superficie de los mismos, hasta sus formas son completamente diferentes a los subsónicos (generalmente los perfiles supersónicos suelen tener forma romboidal, biconvexa, etc). Con bordes de ataque y salida muy afilados. Los bordes afilados evitan la formación de ondas de choque individuales al frente del perfil medida que se mueve a través del aire. Esta forma es en contraste con los perfiles aerodinámicos subsónicos, que a menudo tienen bordes redondeados que conducen a reducir la separación de flujo en un amplio intervalo de ángulo de ataque. Un borde redondeado se comportaría como un cuerpo no currentilíneo en vuelo supersónico y así se formaría un arco de choque, lo que aumenta considerablemente la fricción de onda. Sin embargo, un borde de ataque afilado implica que el perfil será más sensible a cambios en el ángulo de ataque. Por lo tanto, para aumentar la sustentación a bajas velocidades, aviones supersónicos también utilizan dispositivos hipersustentadores, tales como flaps y slats.
Características:
• Borde de ataque y salida afilados
• Formas hexagonal, romboidal, biconvexa.
• Simétricos y sin curvatura
• Poca fuerza de sustentación a bajas velocidades
• Espesor de bajas dimensiones Ejemplos
Aplicaciones Aviones supersónicos
Página | 9-14 Familias de Perfiles
Perfiles NACA
Los perfiles NACA son una serie de perfiles que fueron creados por la NACA (National Advisory Committee for Aeronautics) para proveer una familia estandarizada de geometrías de perfiles para desarrollo aeronáutico y análisis de ingeniería. Los perfiles son generador por polinomios que describen la forma de la línea de curvatura y la distribución de espesor. La línea de curvatura es definida como el punto medio entre la superficie de arriba y de abajo, y es determinado por polinomios que especifican su distancia desde el punto de cuerda.
Serie NACA de 4 Dígitos
Son basados en criterios de geometría, con los dígitos de la máxima curvatura, Xcmax, y el máximo grosor, t, respectivamente.
Los cuatro dígitos definen:
− La primera cifra tiene un significado geométrico, e indica la máxima flecha de la línea media de la cuerda en porcentaje %, proporcionando la máxima curvatura Cmax.
− La segunda cifra tiene un significado geométrico, e indica su posición, es decir, la distancia desde el borde de ataque hasta la posición de la máxima flecha de la línea media o máxima curvatura
Xcmax.
− Las dos últimas cifras indican el espesor relativo máximo en % respecto a la cuerda.
El perfil se obtiene mediante dos parábolas tangentes en el punto de máxima línea media.
Por ejemplo, un perfil NACA 2412 tiene la curvatura máxima del 2 % de la cuerda, situada en el punto del 40 % de la cuerda (medido desde el borde de ataque) y con un espesor máximo del 12 % de la cuerda. El perfil NACA 0012 es un perfil simétrico (de curvatura 0).
Serie NACA de 5 Dígitos
La serie de perfiles NACA de 5 dígitos fueron derivados para proveer un desempeño aerodinámico específico, basada en una combinación de características aerodinámicas teóricas y características geométricas.
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− La primera cifra indica el valor del coeficiente de sustentación ideal de la curvatura del perfil, multiplicado por 20 y dividido por 3.
− Las dos cifras siguientes indican el doble de la posición de la flecha máxima de la línea media (curvatura) en % de la cuerda
− Las dos últimas cifras indican el espesor relativo máximo de la cuerda en %, igual al del perfil NACA de 4 cifras
El perfil se obtiene mediante una parábola cúbica conectada a una línea recta que llega hasta el borde de salida.
Debido a que la serie NACA de 5 dígitos, son proveídos para un despeno aerodinámico especifico, aquí se empleara a manera de comentario solamente la serie NACA 2X0XX. El sistema de numeración de la serie es basado en un criterio menos geométrico y más un criterio empírico. Los dígitos designan la forma de la línea de curvatura, y el máximo grosor, respectivamente.
Modificaciones a los perfiles NACA de 4 y 5 cifras
Se pueden añadir dos cifras más a la nomenclatura básica de 4 ó 5 cifras, cuyo significado es el siguiente:
− La primera indica el radio de curvatura de la distribución de espesores en el borde de ataque con una escala entre 0 y 8, tal que el nº 6 indica perfil no modificado
− La segunda cifra indica la posición de máximo espesor en décimas de cuerda, no estando localizado en el 30%.
Serie NACA I
En los años 1930 se utilizo un nuevo enfoque para el diseño de los perfiles en el cual la forma del perfil se derivaba matemáticamente a partir de las características de sustentación deseadas.
Previamente, multitud de perfiles fueron creados, y sus características fueros medidas en túneles de viento.
Los perfiles de la 1-series se describen:
• El 1 describe la serie
• 2º dígito describe la distancia en la que se encuentra la zona de mínima presión en 1/10 de
% de cuerda.
• 3er dígito (precedido de un guión) describe el coeficiente de sustentación en 1/10.
• 2 dígitos describiendo el máximo espesor en 1/10 del % de la cuerda.
Perfil NACA 16-123
Zona de mínima presión en el 60% de la cuerda Cl = 0.1
tmax del 23% de la cuerda