Het is gebruikelijk om lijnvormige wolken in de lucht te zien, bekend als contrails, achter de motoren van een straalvliegtuig.

Wat niet altijd zichtbaar is, is een draaikolk die van de punt van elke vleugel afkomt - als twee kleine horizontale tornado's - en een turbulent zog achter het voertuig achterlaat. Het kielzog vormt een destabiliserend vluchtgevaar, vooral voor kleinere vliegtuigen die dezelfde vliegroute delen.

Recent onderzoek aan de Universiteit van Illinois heeft aangetoond dat, hoewel de meeste vleugelvormen die tegenwoordig worden gebruikt deze turbulente zogwervels creëren, vleugelgeometrie kan worden ontworpen om vleugeltipwervels bijna volledig te verminderen of te elimineren. In de studie, de vortex- en kielzogkarakteristieken werden berekend voor drie klassieke vleugelontwerpen:de elliptische vleugel, en vleugelontwerpen ontwikkeld in klassieke studies door R.T. Jones en Ludwig Prandt.

"De elliptische vleugelconfiguratie wordt al bijna een eeuw gebruikt als de gouden standaard voor aerodynamische efficiëntie. We leren onze studenten dat het de optimale laadeigenschappen heeft en dat het vaak wordt gebruikt als we kijken naar de efficiëntie van de vleugels, bijvoorbeeld, het minimaliseren van weerstand, " zei Philip Ansell, universitair docent bij de afdeling Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek aan de U of I.

In een eerdere experimentele studie over het optimaliseren van vleugelconfiguraties, Ansell heeft geleerd dat u het vleugelsysteem efficiënter kunt maken met een niet-elliptisch vleugelprofiel. "Eerdere academische studies hebben aangetoond dat, theoretisch, er zijn andere ontwerpen die in feite een lagere weerstand van een vlakke vleugel bieden voor een vaste hoeveelheid liftgeneratie. Maar wat ontbrak, is een echt appels-tot-appel-experiment om het te bewijzen."

In dit nieuwe onderzoek Ansell, en zijn afgestudeerde student, Prateek Ranjan, gebruikte de echte gegevens van de vorige studie om de drie vleugelconfiguraties te analyseren.

"We hebben dit achtervolgd omdat we iets merkwaardigs zagen in onze metingen in het eerdere experiment. in deze nieuwe studie we simuleerden de stroming rond deze drie vleugels en zagen significante verschillen in hoe de wervelingen en het kielzog zich ontwikkelden van elk van de drie vleugeltypes. De vleugelconfiguraties van Jones en Prandtl hadden geen vleugeltipwervels zoals de elliptische vleugel. Ze hadden een veel meer geleidelijke bulkvervorming van de hele zogstructuur, in plaats van een onmiddellijke coherente roll-up. We weten nu dat we de vorming van zogvortexstructuren kunnen vertragen, en vergroot de afstand die een achtervolgende zogvortex nodig heeft om op te rollen met ongeveer 12 keer, waardoor het zwakker en minder gevaarlijk is voor het vliegtuig dat in zijn kielzog komt."

Ansell zei dat deze informatie kan worden gebruikt om opnieuw af te stemmen hoe formatievluchten tussen vliegtuigen worden bekeken, of om een ​​nieuwe ideale configuratie te ontwikkelen voor het laden van de lift bij het opstijgen en landen, en vervolgens de afstand tussen vliegtuigen in dezelfde vliegbaan te verminderen.

"Trailing vleugeltip wervelingen hebben de neiging lang te duren om weg te gaan als ze zich eenmaal in de atmosfeer hebben gevormd. Dus de tijd die nodig is om de vortex te verdrijven, moet worden berekend in de starttijd van het volgende vliegtuig dat op hetzelfde pad gaat. De beweging van de lucht die door deze wervels wordt geproduceerd, kan een gevaar vormen voor achteropkomende vliegtuigen, omdat het onvoorspelbaar kan zijn en gevaarlijke vluchtregimes kan opleveren. Dus het gebruik van de Jones- of Prandtl-vleugels zou resulteren in veel minder turbulente lucht achter een vliegtuig, ' zei Ansell.

Je zou denken dat Ansells conclusie is om alleen de Jones- of Prandtl-vleugelconfiguraties te gebruiken, maar dat is het niet.

"Een van de dingen die me voor het eerst naar het onderwerp aerodynamica brachten, is dat het juiste antwoord altijd afhangt van wat je beperkingen zijn. Als je een klein onbemand voertuig bouwt dat met een lage snelheid zal vliegen, je krijgt een andere oplossing voor ontwerpbehoeften dan wanneer je een vliegtuig bouwt dat mensen op grote hoogte en met hoge snelheden zal vervoeren. Dus technisch gezien je zou kunnen stellen dat alle drie de vleugeltypes de beste oplossing zijn. De vraag is, wat zijn uw rijbeperkingen, zoals spanwijdte en gewicht, achter het kiezen van een van hen?"

Ansell voegde eraan toe dat dit een fundamenteel onderzoek is en niet bedoeld is om een ​​specifieke vliegtuigontwerper of bedrijf te adviseren.

"We kijken naar hoe de vleugelstroom zich gedraagt ​​​​en de informatie kan worden gebruikt om te begrijpen hoe het oprolproces van wervels wordt geproduceerd. Deze studie stelt ons in staat om ons bewust te zijn van hoe de vleugelconfiguratie de achterblijvende vortexvorming en het ontwaken beïnvloedt door te bestuderen de uiterste grenzen van onmiddellijke en vertraagde vortex roll-up processen, ' zei Ansell.

"Interessant is dat we hebben vastgesteld dat een van de grootste boosdoeners van het creëren van wervelingen inderdaad de elliptische liftverdeling is, wat ook een van de meest conventionele vleugelontwerpen is. Het heeft zeker de manier veranderd waarop ik over het onderwerp praat in mijn lessen. In plaats van simpelweg te verwijzen naar de stromingspatronen die achter de vleugel worden geproduceerd als een paar 'vleugeltipwervels', ' Ik heb genomen om het geproduceerde volledige kielzog te beschrijven als het achterblijvende vortexsysteem."

De krant, "Computationele analyse van Vortex Wakes zonder Near-Field Rollup-kenmerken, " was co-auteur van Prateek Ranjan en Phillip J. Ansell. Het verschijnt in de Journal of Aircraft .