Tecnología / Guía técnica
Sustentación, resistencia y coeficientes de sección de la pala
La sustentación y la resistencia descomponen la fuerza aerodinámica respecto al flujo local. El empuje del rotor y la fuerza motriz la descomponen en coordenadas del rotor. Son distintas descomposiciones de la misma fuerza, por lo que la sustentación por sí sola no es el par del eje ni la potencia eléctrica de salida.
Defina conjuntamente las direcciones y las magnitudes de referencia.
Un coeficiente adquiere significado mediante su densidad, velocidad relativa, área y condiciones de flujo. Cambiar una referencia puede cambiar el valor numérico sin cambiar la fuerza.
01 / Direcciones de las fuerzas
La sustentación es transversal al flujo; la resistencia sigue su dirección.
En una descripción de sección, la resistencia actúa en la dirección del flujo de aire relativo y la sustentación es perpendicular a él en el plano elegido.
En una descripción de sección, la resistencia actúa en la dirección del flujo de aire relativo y la sustentación es perpendicular a él en el plano elegido. El signo de la sustentación depende de la dirección transversal positiva definida. Estas direcciones cambian al cambiar la dirección del flujo relativo.
La explicación de las fuerzas aerodinámicas de NASA utiliza esta descomposición basada en el flujo. No debe confundirse con la sustentación vertical en coordenadas terrestres: una sección en rotación no tiene por qué tener su dirección de sustentación alineada con ningún eje fijo del emplazamiento.
02 / Escala de referencia
Los coeficientes dividen la fuerza por una escala indicada.
Defina la presión dinámica q = 0.5ρW².
Defina la presión dinámica q = 0.5ρW². Con un área de referencia A, las expresiones de las fuerzas de sección son L = qACl y D = qACd. La densidad se expresa en kg/m³, la velocidad relativa en m/s y el área en m², lo que da fuerzas en newtons.
Para una sección bidimensional por unidad de envergadura, la escala correspondiente usa la cuerda c: L′ = qcCl y D′ = qcCd, en N/m. Una franja finita usa una anchura definida explícitamente; su referencia no es automáticamente el área de todo el disco del rotor.
03 / Elección del área
El área de referencia afecta al coeficiente.
Una misma resistencia medida, dividida por dos áreas de referencia diferentes, produce dos valores de Cd diferentes.
Una misma resistencia medida, dividida por dos áreas de referencia diferentes, produce dos valores de Cd diferentes. NASA destaca esta dependencia del área. Comparar coeficientes exige, por tanto, convenciones coincidentes, en lugar de interpretar el valor menor como una resistencia física intrínsecamente menor.
Asimismo, L/D = Cl/Cd solo cuando ambos coeficientes usan los mismos q y A. Una relación formada a partir de definiciones incompatibles de área o velocidad no representa esa relación de fuerzas.
04 / Ilustración
El cálculo de una fuerza necesita coeficientes supuestos.
Considere un valor ilustrativo de q de 240 Pa y un área de referencia de 0.05 m².
Considere un valor ilustrativo de q de 240 Pa y un área de referencia de 0.05 m². Si Cl = 1.0 y Cd = 0.08, entonces L = 12 N y D = 0.96 N. Su relación es 12.5.
Todos los datos de entrada son hipotéticos. El resultado no es una fuerza de sección MARSTON ni una polar ensayada. Demuestra el efecto de la escala; los coeficientes siguen necesitando su geometría, ángulo, número de Reynolds y estado superficial aplicables.
05 / Proyección en el rotor
Solo la componente adecuada impulsa la rotación.
La componente tangencial de la fuerza contribuye al par alrededor del eje del rotor mediante su radio.
La componente tangencial de la fuerza contribuye al par alrededor del eje del rotor mediante su radio. Su componente normal al rotor contribuye a una acción diferente. Tanto la sustentación como la resistencia pueden intervenir en estas proyecciones, según la dirección de entrada local del flujo.
Un Cl elevado no da automáticamente un gran par motor positivo. La dirección, la resistencia y las condiciones de operación siguen siendo pertinentes. La guía de BEM conecta estas fuerzas locales con el balance del flujo del rotor.
06 / Alcance de los coeficientes
Una polar y el Cp del rotor describen niveles distintos.
Una polar de sección relaciona los coeficientes aerodinámicos con condiciones como el ángulo de ataque.
Una polar de sección relaciona los coeficientes aerodinámicos con condiciones como el ángulo de ataque. El Cp del rotor describe un ámbito de análisis de potencia que abarca el rotor. No deben sustituirse entre sí solo porque ambos sean adimensionales.
Aquí no se proporciona ningún Cl, Cd, fuerza ni curva de coeficientes reales de MARSTON. Estas relaciones explican el cálculo del flujo local sin establecer el rendimiento de la máquina completa.
Continúe la revisión con Flujo relativo de la pala e incidencia aerodinámica.
Continúe la revisión con Número de Reynolds de palas de pequeña eólica y similitud del flujo.
Continúe la revisión con Pérdida aerodinámica de la pala y separación del flujo.
Continúe el análisis de los datos de sección con las polares de perfil y las condiciones de los datos y la transición de la capa límite. Para más terminología de fuerzas y momentos, consulte la resistencia inducida y de perfil y el momento aerodinámico y los cambios de referencia.
Información general: NASA Glenn: direcciones de las fuerzas de sustentación y resistencia · NASA Glenn: escala común de los coeficientes y relación de fuerzas · NASA Glenn: dependencia del coeficiente de resistencia respecto al área de referencia. Estas referencias explican conceptos del sector; son independientes de los documentos aplicables de productos y proyectos MARSTON.
Conceptos y condiciones principales.
Interprete cada magnitud con su referencia, sus unidades y las condiciones indicadas. Una relación general no establece un valor específico de un modelo.
| Concepto / magnitud | Significado / relación | Condiciones / límites |
|---|---|---|
| q | 0.5ρW², Pa | Usa la referencia de velocidad relativa de la sección. |
| Cl | L/(qA), adimensional | Deben definirse la dirección positiva y el área. |
| Cd | D/(qA), adimensional | Cambiar A cambia el valor numérico del coeficiente. |
| L′ y D′ | Fuerza por unidad de envergadura, N/m | Use la cuerda en lugar del área de todo el disco. |
| Componentes en el rotor | Proyecciones normal y tangencial de la fuerza | Sus ejes difieren de los ejes de sustentación y resistencia. |
Preguntas de ingeniería.
¿La sustentación es siempre vertical?
No. Su dirección es perpendicular al flujo local definido en el plano de la sección.
¿Es el Cl de sección lo mismo que el Cp del rotor?
No. Representan fuerza y potencia a niveles distintos.
¿Pueden dos valores de Cd usar áreas diferentes?
Sí; en ese caso no pueden compararse como magnitudes con referencias equivalentes.
¿Cuándo es Cl/Cd igual a L/D?
Cuando ambos coeficientes comparten la misma presión dinámica y área de referencia.
¿Toda la sustentación crea par en el rotor?
Solo la proyección tangencial pertinente contribuye al par alrededor de ese eje.
¿Son 12 N y 0.96 N fuerzas reales?
No. Son resultados de datos de entrada inventados.
Consulta técnica
Comente la cuestión técnica.
La sustentación y la resistencia descomponen la fuerza aerodinámica respecto al flujo local. Comparta el modelo y la información de operación o diseño aplicable para una discusión técnica.