RESUMEN

Se presenta el desarrollo de un programa de cómputo codificado en la plataforma MATLAB 10 que es capaz de calcular las características geométricas de un perfil aerodinámico (coordenadas

x, y, cuerda b , ángulo de ataque ), de igual forma es capaz de determinar las características aerodinámicas del mismo perfil aerodinámico .

El programa de cómputo no considera los efectos que se puedan generar debido a la viscosidad y compresibilidad del fluido, es decir, las características geométricas y aerodinámicas

son determinadas a partir de un modelo de flujo ideal de un fluido incompresible, por lo tanto, no es capaz de calcular el arrastre que toma en cuenta la capa límite sino que calcula el

coeficiente de arrastre ideal que el perfil aerodinámico en cuestión genere.

PERFILES AERODINÁMICO

En aeronáutica se denomina perfil alar, perfil aerodinámico o simplemente perfil, a la forma

del área transversal de un elemento, que al desplazarse a través del aire es capaz de crear a

su alrededor una distribución de presiones que genere sustentación.

Es una de las consideraciones más importantes en el diseño de superficies sustentadoras

como alas, o de otros cuerpos similares como los álabes de una turbina y/o

compresor, palas de hélices o de rotores en helicópteros y estabilizadores.

Según el propósito que se persiga en el diseño, los perfiles pueden ser más finos o gruesos,

curvos o poligonales, simétricos o no, e incluso el perfil puede ir variando a lo largo del ala.

Sin embargo, este concepto no se limita solamente a las aeronaves, ya que todo objeto posee

un perfil característico, cuya forma puede:

Presentar mayor o menor resistencia al avance en un fluido; por lo tanto, una mayor o

menor facilidad de movimiento en dicho fluido.

Generar fuerzas dinámicas sobre el mismo, de mayor o menor intensidad en conjunción al

desplazamiento de dicho objeto en el fluido en el que se encuentra.

NOCIONES BÁSICAS

Al sumergir un cuerpo romo en el seno de una corriente fluida, siempre aparece una fuerza

que empuja al cuerpo sumergido. Imaginemos que introducimos verticalmente un tablón de

madera en un río. El perfil en este caso será un rectángulo, que es la sección del tablón.

Observaremos que la fuerza que arrastra dicho tablón corriente abajo es pequeña cuando

enfrentamos la cara más estrecha a la corriente, y el arrastre es grande si enfrentamos a la

corriente la cara más ancha. Esta fuerza que empuja en el sentido de la corriente se

denomina resistencia o arrastre. Observamos que este arrastre varía conforme giramos el

tablón respecto a un eje

longitudinal, es decir,

conforme variamos el

ángulo que forma la

sección del tablón con la

dirección de la corriente.

Ese ángulo se

denomina ángulo de

ataque.

Cuando la corriente fluida

incide sobre el tablón con cierto ángulo de ataque, además de la mencionada fuerza de

arrastre, aparece otra fuerza que no tiene la dirección y el sentido de la corriente, sino una

dirección perpendicular a ella. Esta fuerza perpendicular al sentido de la corriente, que

también depende del ángulo de ataque, se denomina sustentación y puede ser muchas

veces mayor que la de resistencia. En aplicaciones en las que deseemos que una corriente

fluida "empuje" con la mayor fuerza posible a un sólido, este sólido se diseñará de manera que

tenga la forma y el ángulo de ataque adecuados para lograr la máxima sustentación y el

menor arrastre posible. La forma del perfil alar influye sustancialmente en las fuerzas de

sustentación y arrastre que aparecerán. El tablón del ejemplo, de perfil rectangular, demuestra

ser poco eficiente desde el punto de vista aerodinámico, pues los perfiles eficaces

nomalmente presentan un arrastre mucho menor y una sustentación enorme.

Para ello suelen tener redondeada la zona enfrentada a la corriente (borde de ataque), y

afilada la zona opuesta (borde de fuga o borde de salida).

Habitualmente las características aerodinámicas de un perfil alar se encuentran sometiendo a

ensayo modelos de perfiles en un túnel aerodinámico (también llamado túnel de viento) o en

un túnel o canal hidrodinámico. En ellos se miden la sustentación y la resistencia al variar el

ángulo de ataque y las condiciones de la corriente fluida (normalmente la velocidad de ésta), y

se llevan a unas gráficas de características del perfil.

Los primeros modelos de perfiles ensayados en túneles de viento surgieron a partir de

secciones de peces congelados. Desde mediados del s. XX se dispone de importantes

catálogos publicados que definen la geometría de un perfil y sus curvas aerodinámicas.

Durante la Primera Guerra Mundial, los ensayos realizados en Gottingen contribuyeron al

diseño de los primeros perfiles modernos, hasta que a partir de la Segunda Guerra Mundial,

tomó el relevo en los Estados Unidos el Comité Nacional de Aeronáutica (NACA), antecesor

de la actual NASA, que ha desarrollado la mayor parte de los perfiles empleados en la

actualidad. Sin embargo, las características aerodinámicas de algunos perfiles empleados en

la aviación militar, siguen siendo alto secreto.

PARTES Y REGIONES DE UN PERFIL

1. Borde de ataque (leading edge).- Es la parte delantera del perfil alar. Se le denomina

“borde de ataque” ya que es la primera parte que toma contacto con la corriente de

aire, provocando que esta se bifurque hacia el intradós y el extradós.

2. Borde de salida (trailing edge).- Llamado también “borde de fuga”. Corresponde al

punto en el que las corrientes de aire provenientes del intradós y extradós confluyen y

abandonan el perfil. Aunque en la mayoría de los gráficos se le trace de forma aguda,

no siempre suele ser así, teniendo en algunos casos una terminación cuadrada.

3. Intradós (lower surface).- Término genérico que denota la parte interior de una

estructura. En un perfil de superficies corresponde a la parte inferior del mismo.

4. Extradós (upper surface).- Llamado también “trasdós”, es un término genérico que

denota la parte exterior de una estructura. En un perfil de superficies corresponde a la

parte exterior del mismo.

5. Región de curvatura máxima.- Área de un perfil de superficies comprendida entre la

abscisa (eje X) del punto de inicio del borde de ataque y la abscisa de la curvatura

máxima.

6. Región de espesor máximo.- Área de un perfil de superficies comprendida entre la

abscisa del punto de inicio del borde de ataque y la abscisa del espesor máximo.

PARÁMETROS GEOMÉTRICOS DE LOS PERFILES

Las características geométricas de un perfil tienen un gran impacto en sus características

aerodinámicas. Estas se pueden listar como sigue:

1. Radio del borde de ataque.- Define la forma del borde de ataque y es un valor que influye

de forma importante en la pérdida. Geométricamente corresponde al radio de un círculo

trazado de la siguiente forma:

Debe ser tangente tanto al intradós como al extradós

Su centro estar ubicado en una tangente al origen de la línea de curvatura media

Su longitud se mide en % del valor de la cuerda, oscilando entre valores:

Muy pequeños (Próximos a 0).- Genera un borde de ataque bastante agudo (afilado), que

puede causar desprendimiento temprano de la capa límite. Ideal para vuelo supersónico.

2 % de la cuerda.- Genera un borde de ataque más obtuso (achatado).

2. Cuerda (chord).- Corresponde a la línea recta que une el borde de ataque y el borde de

salida. Su valor es una característica particular de cualquier perfil.

3. Línea de curvatura media (mean camber line).- Es una línea equidistante entre el extradós y

el intradós. Define la curvatura del perfil de la siguiente manera:

Si esta cae por encima de la cuerda (como en la figura), se dice que el perfil posee

curvatura positiva

Si esta cae por debajo de la cuerda, se dice que el perfil posee curvatura negativa.

Si esta cae por encima y también por debajo de la cuerda, se dice que el perfil posee una

doble curvatura.

4. Curvatura máxima (maximum camber).- Corresponde a la distancia máxima entre la línea

de curvatura media y la cuerda. El valor de su ordenada y la posición de está ordenada se

expresa por lo general en % de la longitud de la cuerda. Un valor típico de esta es 4 % de la

cuerda.

5. Espesor (thickness).- El espesor es un segmento trazado desde un punto referencial del

perfil. Existen dos maneras de expresar este concepto, como se muestra en la figura:

Convención americana.- El espesor es trazado de forma perpendicular a la línea de

curvatura media.

Convención británica.- El espesor es trazado de forma perpendicular a la línea de la

cuerda.

De estas dos formas resultan dos segmentos de longitudes distintas.

6. Espesor máximo (maximum thickness).- Corresponde a la longitud máxima posible del

espesor de un perfil de superficies.

El valor de su ordenada y abscisa como valor de posición, se expresa por lo general en % de

la longitud de la cuerda, oscilando entre los siguientes valores:

Ordenada igual a 3 % de la cuerda, para perfiles muy delgados (vuelo supersónico).

Valores típicos: Ordenada igual a 12 % y abscisa igual a 30 % de la cuerda.

Ordenada igual a 18 % de la cuerda, para perfiles gruesos (vuelo a baja velocidad).

CLASIFICACIÓN DE LOS PERFILES

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 sustentacíon 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 ángulo y disminuyendo exageradamente la velocidad de pérdida)

Según orientación del diseño hacia un rango de velocidades de operación:

Subsónicos

Transónicos

Supersónicos