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  • Otimizando winglets para arrasto mínimo, vôo mais eficiente

    Embora, winglets existem desde meados da década de 1970, ainda há uma grande variedade de formas, tamanhos, e ângulos. Analisar os winglets para encontrar as características ideais para resultar no menor arrasto líquido para uma aeronave era o objetivo dos pesquisadores da Universidade de Illinois, Phillip Ansell, Kai James, e o estudante de graduação Prateek Ranjan. Crédito:Debra Levey Larson

    Embora, winglets existem desde meados da década de 1970, ainda há uma grande variedade de formas, tamanhos, e ângulos.

    Se você já tirou uma foto da janela de um avião comercial, você provavelmente tem uma ótima chance de uma winglet - aquela parte da asa na ponta que se inclina para cima. Essa pequena mudança na forma da ponta da asa faz muito. Reduz o arrasto, o que pode se traduzir em velocidade mais alta ou permitir que o piloto reduza a velocidade e economize combustível. Também ajuda a reduzir os vórtices nas pontas das asas, que podem ser problemáticos para aviões voando em sua esteira.

    Embora, winglets existem desde meados da década de 1970, ainda há uma grande variedade de formas, tamanhos, e ângulos. Analisar os winglets para encontrar as características ideais para resultar no menor arrasto líquido para uma aeronave era o objetivo dos pesquisadores da Universidade de Illinois, Phillip Ansell, Kai James, e o estudante de graduação Prateek Ranjan.

    "Muitos estudos acadêmicos sobre designs de asas não planas idealizam winglets instalados com uma curva acentuada de 90 graus nas pontas, embora haja muitas coisas potencialmente erradas em ter essas junções agudas. Como as aeronaves individuais têm um conjunto único de restrições e requisitos, é difícil fazer generalizações sobre como uma aeronave deve ser projetada, "disse Ansell, professor assistente do Departamento de Engenharia Aeroespacial da Faculdade de Engenharia da Universidade de Illinois. "Contudo, ao olhar para sistemas de asas não planas, destilamos o problema para algo muito específico e canônico. Usamos um método de otimização multifidelidade, começando com algoritmos matemáticos muito simples para entender melhor o espaço de design com mais ou menos 10 por cento de precisão, em seguida, executei simulações mais avançadas para entender como o winglet influencia o campo de fluxo e o desempenho da asa. "

    Em sua pesquisa, a equipe se concentrou em um design de asa não linear, conhecido como configurações de asa Hyper Elliptic Cambered Span (HECS), onde a projeção vertical da asa pode ser descrita matematicamente usando a equação de uma hiperelipse.

    "Nós destilamos a geometria da asa em algo muito simples, "Ansell disse." Nós expressamos a não planaridade da asa - como ela é curva, quão altas são as pontas das asas, etc. - usando equações para uma hiperelipse. Agora podemos facilmente alterar os valores na equação para encontrar a asa de melhor desempenho enquanto trocamos uma curvatura mais nítida ou mais suave conforme a ponta se aproxima, bem como alturas de winglet maiores ou menores. "

    Ansell disse que o algoritmo começou com um elevador fixo, um vão fixo projetado, um momento de flexão fixo da asa, e um peso fixo, para gerar uma asa com arrasto mínimo - e, em última análise, ser mais eficiente.

    "Enquanto outros estudaram asas não planas com designs combinados de winglets, a maioria só olhou para o chamado aspecto 'invíscido' do arrasto da asa, ignorando as fontes complexas de arrasto introduzidas pela viscosidade do ar, "Ansell disse." Mas isso é apenas cerca de metade da imagem. Em nossa formulação, incluímos essas fontes de arrasto viscoso porque tem uma influência substancial na eficiência líquida da asa. Por exemplo, é fácil reduzir o arrasto invíscido da asa adicionando winglets muito altos nas pontas com junções muito agudas. Contudo, há uma penalidade de arrasto viscosa distinta ao fazer isso, o que reduz a eficácia de tal projeto na prática. "

    "Ao realizar um rigoroso procedimento de otimização numérica, fomos capazes de explorar sistematicamente o espaço de projetos possíveis, e, finalmente, obter designs que podem parecer incomuns, e que nunca poderíamos ter previsto confiando na mera intuição, "disse Kai James, também professor assistente no Departamento de Engenharia Aeroespacial.

    Ansell disse que esta estrutura de otimização integrada ajudará o estado atual do projeto de asa de baixa velocidade, mas também pode resultar em uma melhoria em relação aos projetos de asa convencionais atuais, operando em regime de voo subsônico.

    Pesquisa para o jornal, "Configurações ideais de amplitude hiperelíptica curvada para arrasto mínimo, "foi conduzido por Prateek Ranjan, Phillip Ansell, e Kai James. Aparece no Journal of Aircraft.


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