La capa límite

Ya hemos hablado alguna vez del concepto de capa límite. Para comprender ciertos aspectos del diseño del ala, es necesario entrar en más detalles. Vamos a discutir los efectos de la energía en la capa límite para poder entender los dispositivos hipersustentadores.

La capa límite en una sección del ala que se puede ver en la figura de debajo. En esta figura, hemos puesto un grosor de la capa límite muy exagerado para que se vea bien. En realidad, la capa límite es bastante delgada. Por ejemplo, en el borde posterior de un Boeing 747-400 (donde la capa límite es más gruesa), tiene aproximadamente 15 cm de espesor. Esto ocurre cerca de la raíz del ala, donde la cuerda del ala mide aproximadamente de 10 a 12 m. La figura que está en el área ampliada muestra cómo la velocidad relativa al ala cambia desde cero en las cercanias de la superficie hasta llegar a valores de la corriente libre afuera de la capa.

Es la fricción de las moléculas de aire con la superficie y la viscosidad lo que causa este cambio en la velocidad. La velocidad más baja cerca de la superficie se traduce en una energía cinética más baja. La energía de la capa límite es importante porque una mayor energía permitirá que la capa límite continúe siguiendo una superficie incluso cuando la presión aumente gradualmente. Como se indicó anteriormente, la mayor parte de la sustentación de un ala a baja velocidad se encuentra en el primer cuarto de la longitud de la cuerda. Aquí es donde la presión es más baja.

A medida que el aire retrocede a lo largo de la parte superior del ala, la presión aumenta hasta que alcanza la presión ambiental en el borde de salida del ala. Esto se conoce como la condición de borde de salida. Por lo tanto, el aire se mueve a una presión creciente, que lo ralentiza. Esto es muy similar a una pelota rodando cuesta arriba. Si la capa límite tiene suficiente energía para superar la presión creciente, seguirá la superficie del ala. Cuando la energía de la capa límite no es suficiente, la capa límite dejará de fluir y se separará de la superficie. Pasado el punto de separación, el ala experimenta el flujo de aire en la dirección inversa. El ala está entrando en este momento en lo que se conoce como pérdida.

La separación generalmente ocurre cerca del borde de salida cuando se empieza a alcanzar el ángulo de ataque crítico . A medida que aumenta el ángulo de ataque, el punto de la separación avanza, la sustentación disminuye y la resistencia aumenta. Es necesario que los diseñadores de alas comprendan la energía en el aire de la capa límite para diseñar alas que impidan la separación. Si un ala puede alcanzar un ángulo de ataque más alto antes de entrar en pérdida, podrá despegar y aterrizar a velocidades más bajas o transportar una carga más pesada. Las bajas velocidades se traducen en pistas más cortas, y poder llevar cargas más pesadas se traducen en mayores ingresos.

Hielo en el ala

Un ala diseñada para entrar en pérdida primero desde el borde de salida puede perder esta característica cuando vuela en condiciones de hielo. Se forma hielo en los aviones que vuelan en un ambiente con humedad en un cierto rango de temperaturas. Las gotas de agua sobreenfriada se congelan al impactar y forman hielo tipo escarcha, que es áspero y opaco. El agua con algo más de temperatura golpeará el ala y formará hielo fino, suave y transparente. La acumulación de hielo produce varios efectos negativos. El primero es que cambia la forma del ala y, por lo tanto, cambia sus características de pérdida. En general, un ala con hielo entrará en pérdida abruptamente en un ángulo de ataque más bajo que sin hielo. El hielo también agrega peso, que es una carga adicional en el ala. Por lo tanto, para compensar, el piloto debe aumentar el ángulo de ataque. Eventualmente, el ángulo de ataque requerido para mantener el vuelo alcanza el nuevo ángulo de ataque de pérdida, y el avión ya no puede volar. Un efecto negativo adicional del hielo es el aumento de la resistencia, tanto inducida como parasitaria. El resultado es un aumento de la potencia requerida.

Turbulencia de capa límite

Normalmente, los pasajeros suelen asociar la turbulencia con las condiciones atmosféricas. Esto se conoce como turbulencia en aire despejado. Este tipo de turbulencia es importante para que los diseñadores estructurales tengan en cuenta la carga de ráfagas, pero hay otro tipo de turbulencia que es fundamental para el diseño aerodinámico del ala. Esta es la turbulencia de la capa límite, que ocurre solo en la parte de la capa límite que es muy delgada. La mayoría de las imágenes de alas con aire que fluye sobre ellas muestran patrones suaves de aire. Esto es el flujo laminar, no turbulento. La figura que sigue ilustra tanto el flujo laminar como el turbulento. En la figura, el aire de flujo laminar pasa a ser turbulento. La diferencia básica es que el flujo laminar es suave, mientras que el flujo turbulento es caótico.

La fricción y la resistencia aumentan mucho con el aumento de la turbulencia de la capa límite. Un ala con flujo laminar tendrá mucha menos fricción en la superficie que con flujo turbulento. Sería una gran ventaja diseñar un ala que fuera laminar en toda su superficie. Pero esto resulta extremadamente difícil. 

La turbulencia es un fenómeno natural, y se vuelve más frecuente a medida que aumenta la velocidad y el tamaño del avión. Además de esta tendencia natural de una capa límite laminar a volverse turbulenta, cosas como remaches, imperfecciones y gotas de lluvia pueden desencadenar turbulencias en la capa límite. Se ha dedicado un gran esfuerzo a comprender esta turbulencia y a idear formas de reducirla o eliminarla. Las alas modernas intentan mantener el flujo laminar lo más atrás posible en el ala. Luego pasa a un flujo turbulento antes de que el aire tenga la oportunidad de separarse. Si observamos el ala de un avión comercial, veremos que inicialmente tiene una parte lisa que se extienda, pero más hacia atrás se puede ver que hay menos preocupación por la suavidad. La turbulencia tiene también un efecto beneficioso. Debido a que el flujo de aire en la capa límite se agita, mezcla el aire con más energía con el aire que se encuentra cerca de la superficie del ala. Se dice entonces que la capa límite está "energizada" porque ha aumentado la velocidad (energía cinética) cerca de la superficie. 

La ventaja de esto es que el aire permanecerá adherido a la superficie por más tiempo. Un ala de flujo laminar se detendrá en un ángulo de ataque más bajo que un ala de flujo no laminar. Otro método para energizar la capa límite es agregar generadores de vórtice. Muchos aviones usan generadores de vórtice para retrasar la separación del aire y, por lo tanto, retrasar la pérdida.