La prima possibilità è che il CFD nel tuo cad non sia sofisticato come il software utilizzato dagli ingegneri di Boeing. Il che significa che il tuo progetto potrebbe avere difetti che non vengono visualizzati nel tuo software ma in Boeing (o nemmeno lì, ma in una galleria del vento).

Il secondo è che ho visto solo una configurazione di volo sotto test. Gli aeroplani non si limitano a navigare in alta quota e le alette devono essere buone in tutte le condizioni. In particolare, non devono influenzare negativamente il comportamento di stallo e rotazione.

Le tue ali sembrano piuttosto fragili e sarei preoccupato che vengano derubate o deformate in condizioni turbolente. Queste deformità influenzerebbero il modo in cui si comportano, forse in peggio.

Prima di tutto, domanda fantastica e ottime indagini! Questo tipo di indagine "vediamo cosa succede" ti porterà lontano se decidi di perseguire l'aerodinamica a un livello avanzato (e, ovviamente, in altre attività). Non molto tempo fa, ho dovuto scrivere un rapporto simile: mancando le risorse e la conoscenza dei giganti aerospaziali, anch'io mi chiedevo perché potessi inventare progetti che apparentemente apparivano di gran lunga superiori ai loro. Pensavo di avere le ali abbassate.

Poi sono andato a lavorare per Boeing e ho iniziato a parlare con gli aerodinamici. Ho iniziato gli studi universitari in aeronautica. Si scopre, non sorprende, che ci sono molte cose che non puoi ottenere dai libri di testo universitari e dai dati disponibili pubblicamente. Anche se ovviamente non posso essere esaustivo qui - e probabilmente non risponderò nemmeno alla tua domanda alla lettera - posso darti alcune cose su cui pensare. Per essere chiari, non andrei molto oltre con la modellazione e la simulazione, ma se desideri alcuni punti di discussione per il tuo articolo, eccone alcuni senza un ordine particolare. Ho fatto alcune ipotesi sul tuo livello di conoscenza, quindi per favore perdonami se è paternalistico e chiedimi se hai bisogno di chiarimenti.

La fedeltà del tuo modello di base

Le alette ... erano quelle del 737MAX .... L'ala è la stessa di un 737NG.

Su quali dati hai basato il tuo modello? L'ala di un 737 non è una semplice questione di un profilo alare, un po 'di conicità e un po' di torsione. Ho notato che non hai incluso gondole / piloni o carenature a pattina. Il design di un winglet di produzione è fortemente legato all'integrazione del design complessivo dell'ala, inclusi tutti i componenti extra che pendono da esso.

Il motivo per cui i winglet 737 MAX sono efficaci

Il 737 MAX utilizza ciò che è etichettato come ala con tecnologia avanzata (AT). Sappiamo che un'estensione dell'ala ben progettata è più aerodinamicamente efficiente di un'ala. Ma l'apertura alare del 737 deve rimanere entro certi limiti per poter operare con la stessa infrastruttura di terra dei modelli precedenti, quindi un'ala è una buona soluzione. Ma cosa succederebbe se potessimo avere un po 'di entrambi? Bene, l'ala AT fa esattamente questo:

L'ala inferiore è configurata in modo tale che la deflessione verso l'alto dell'ala con un carico di volo di circa 1 g provoca l'aletta inferiore per spostarsi verso l'alto e verso l'esterno dalla posizione statica a una posizione in volo risultando in un effettivo aumento dell'ampiezza dell'ala.

Quindi, per capire veramente l'efficienza della winglet AT, dovresti bisogno di modellare questa geometria deviata.

L'altro elemento che contribuisce all'efficacia dell'ala AT è il suo flusso laminare naturale:

Sulle alette precedenti, la resistenza dovuta all'attrito del flusso d'aria sopra l'aletta è uno dei principali detrattori di un flusso d'aria efficiente .... questo è risolto da Boeing utilizzando un design dettagliato, materiali di superficie e rivestimenti che abilitare il flusso d'aria laminare, o più regolare, sopra l'aletta.

Il regime di flusso che stai modellando

Le alette AT sono più efficaci poiché la loro efficienza è aggr egualizzato su tratte di crociera lunghe, ad alta velocità e ad alta quota. Tutto quello che hai dato è una vera velocità relativa, ma per questo tipo di analisi degli aerei da trasporto il numero di Mach è molto più importante. Non hai fornito una temperatura dell'aria, ma dalla densità che hai dato sembra che questa simulazione sia a livello del mare, il che significa che il tuo numero di Mach non è abbastanza alto. Ma questo in effetti potrebbe spiegare parzialmente i tuoi risultati. Osserva la curva di trascinamento: In generale, un'ala spiroidale come la tua riduce la resistenza indotta a scapito di una resistenza parassita. Come puoi vedere, possiamo permetterci un po 'di resistenza parassita extra a velocità inferiori perché la resistenza indotta domina.

Se dovessi dare un suggerimento, sarebbe quello di eseguire la simulazione con un numero di Mach realistico (circa 0.8) e guarda cosa succede. Ma attenzione ...

I limiti del tuo software CFD

Stiamo arrivando al punto in cui CFD, se implementato bene, è abbastanza buono per modellare le prestazioni degli aeromobili in volo da crociera. Gran parte dei test in galleria del vento per aeromobili di grandi dimensioni in questi giorni si concentra su condizioni di elevata portanza e di manovra, in cui il CFD è molto più breve. Naturalmente, vogliamo sempre convalidare il nostro CFD nella galleria del vento per tutte le condizioni di volo, ma per configurazioni ben comprese in crociera i risultati spesso corrispondono bene in termini di calcolo delle prestazioni complessive. Ma l'avvertenza "se implementata bene" è fondamentale. Personalmente non ho esperienza con SOLIDWORKS Flow Simulation, ma sembra che sia progettato per essere un software CFD generico, quindi non mi fiderei troppo dei suoi risultati per simulazioni grandi, complesse e ad alta velocità come quelle richieste per questa analisi.

In particolare, c'è il problema della turbolenza. Non nel senso di aria instabile che spinge un aeroplano in giro, ma nel senso di flusso caotico sulla superficie dell'aereo. Così caotico, infatti, che nessun computer al mondo può modellare accuratamente il movimento con un tempo di calcolo sufficientemente breve. Invece, utilizziamo modelli di turbolenza che cercano di approssimare ciò che sta accadendo in un modo che può essere risolto abbastanza rapidamente. SOLIDWORKS utilizza il modello k-epsilon, popolare per il software generico ma potrebbe non essere la scelta migliore qui. In particolare, osserva Wilcox,

Anche la dimostrabile inadeguatezza del modello [k-epsilon] per i flussi con gradiente di pressione avverso ha fatto ben poco per scoraggiarne l'uso diffuso.

Poiché i flussi sui profili alari sono abbastanza influenzati da gradienti di pressione avversi, farei attenzione. Posso dirti che Boeing fa buon uso del modello di turbolenza Spalart – Allmaras insieme alla simulazione di vortici distaccati (Spalart è un dipendente). Ma la scelta della corretta implementazione CFD per un particolare problema è un processo ricco di sfumature che richiede molto giudizio e attenzione.

Prima di tutto ottima analisi! Non sono esperto di aerodinamica ma per quel poco che so gli aerei sono un compromesso. Quando si progetta un aereo si devono realizzare forme che sia possibile produrre, non costino troppo e siano robuste (e conformi alle normative). Ultimo ma non meno importante, devi testare la resistenza su più fasi del volo e in più configurazioni (flap / lamelle): non solo in crociera e analizzare come questo nuovo design influisce sulla portanza. Inoltre non so quanto sia accurato il CFD di Solidworks: considera che la galleria del vento viene ancora utilizzata perché il CFD non è perfettamente preciso.

Una cosa che ho dimenticato: le strutture hanno un peso. Se per realizzare una forma complessa devi usare materiale più resistente, allora l'aereo avrà un peso maggiore che annulla i tuoi guadagni in resistenza. Qual è la differenza di resistenza tra nessun winglet e winglet B737 MAX?

Direi che la cosa più importante è che il modello del computer deve essere convalidato con i risultati della galleria del vento. Come sa chiunque abbia veramente familiarità con il dibattito sul clima, i modelli di computer che cercano di simulare fenomeni estremamente complessi spesso a un certo punto iniziano a divergere dalla realtà e devi ancora testare nel mondo reale per convalidare o falsificare il modello per scoprirlo davvero.

Scommetto che la tua versione funziona bene perché la modellazione è inadeguata a riprodurre qualche sottile effetto e che se la provassi in una galleria del vento rimarrai deluso.

La struttura l'analisi è un po 'simile. L'analisi computerizzata degli elementi finiti eseguita per la struttura per la forza e la resistenza ha i suoi limiti e deve ancora essere convalidata con una corsa in un banco di prova di resistenza e molto spesso le previsioni del computer sono errate. Questo è il motivo per cui è importante completare il collaudo dell'impianto di resistenza strutturale il prima possibile nel programma di produzione per ridurre al minimo le patch che devono essere eseguite in servizio quando i test scoprono strutture modellate in modo inadeguato.

Sebbene tutti gli altri punti sollevati siano validi, è anche importante tornare alle basi e prima capire cosa dovrebbero effettivamente fare le winglet e cosa guida le prestazioni di un aereo:

Winglet no ridurre la "resistenza del profilo" o la forza di trascinamento che esiste quando non viene prodotta la portanza. Molto probabilmente aumenteranno leggermente la resistenza del profilo. Se la tua riduzione della resistenza deriva da una riduzione della resistenza del profilo, questo è immediatamente sospetto, al limite della follia della macchina del moto perpetuo. Le alette generalmente riducono la "resistenza indotta", che è la parte della forza di resistenza totale prodotta quando l'ala inizia a creare portanza. La quantità di resistenza indotta prodotta dipende dall'efficienza dell'ala e dalla sua apertura, o da una "apertura effettiva" calcolata moltiplicando la luce fisica per l'efficienza dell'ala. Si suppone che le alette aumentino l '"apertura effettiva" dell'ala senza superare i limiti fisici di apertura. Ciò significa che la riduzione della resistenza sarà tanto maggiore quanto maggiore sarà la portanza che dovrai produrre, oppure maggiore sarà il tuo angolo di attacco. Poiché gli aerei di linea di grandi dimensioni sono tipicamente progettati intorno ad alcune condizioni di crociera principali con angoli di attacco relativamente bassi, in genere rivendicano miglioramenti nell'ordine del 2-4% sull'efficienza del carburante dall'aggiunta di alette.

È importante confrontare i valori di resistenza a valori di portanza uguali piuttosto che ad angoli di attacco uguali. Ad un certo angolo di attacco, le alette possono essere efficaci riducendo la resistenza o aumentando la portanza (di solito aumentando di nascosto un po 'la distanza fisica) o entrambi. Il parametro di prestazione importante che dovresti tracciare è la resistenza polare, dove la portanza è tracciata contro la resistenza. Un aereo navigherà a qualunque angolo di attacco sia necessario per mantenere 1 g, che dipenderà dal suo peso e dalle caratteristiche di portanza. L'angolo di attacco ha grandi implicazioni sul design, ma non migliora le prestazioni. Quando si confrontano diverse configurazioni, la sovrapposizione delle polari di trascinamento ti dirà tutto ciò che devi sapere, incluso come differiscono i valori di trascinamento del profilo. È necessario eseguire le simulazioni a diversi angoli di attacco e tracciare i coefficienti di portanza risultanti rispetto ai coefficienti di resistenza risultanti. Un rapido controllo sul caso che hai già eseguito sarebbe per assicurarti che la tua drastica riduzione della resistenza non sia accompagnata da una drastica riduzione della portanza. Poiché la tua superficie di sollevamento principale non è cambiata, non dovrebbe essere così.

Tutto ciò che tutti gli altri dicono sulle inadeguatezze occasionali di cfd, in particolare le soluzioni "facili e veloci" integrate nei pacchetti CAD, è vero, ma non mi aspetterei comunque una differenza così drastica tra due configurazioni relativamente simili eseguite sullo stesso software. Mi assicurerei che tutto il resto nelle simulazioni delle diverse configurazioni sia lo stesso, controllerei i cambiamenti nel trascinamento del profilo e nel sollevamento, e farei un po 'di visualizzazione del flusso per cercare di capire cosa sta succedendo nella simulazione per causare la caduta. Quindi vorrei controllare se la stessa cosa accade a un numero di Mach più alto. Idealmente vorresti controllare altri pacchetti software, ma capisco che questo potrebbe non essere possibile e potrebbe essere al di fuori dello scopo del tuo saggio.

In primo luogo congratulazioni per il tuo pensiero "fuori dagli schemi" e per un concetto interessante!

Le risposte precedenti hanno centrato molti dei punti principali, quindi scusa se ripeto qualcuno di loro, ma ecco le mie commenti iniziali:

1. Tutti i dispositivi di punta dell'ala (o estensioni) riducono la resistenza indotta dal sollevamento. La condizione operativa influisce pesantemente sulla quantità di resistenza indotta presente. Esiste una relazione quadratica tra la resistenza indotta e il coefficiente di portanza (CDi = CL ^ 2 / PI * AR). Pertanto, è importante caratterizzare le prestazioni dell'estremità alare su un inviluppo rappresentativo. Ci sarà un punto di cross over a CL bassi in cui l'estremità alare produce una penalità a causa di perdite viscose e resistenza di forma.

2. Il funzionamento dell'analisi CFD in modalità delta richiede una buona rappresentazione dell'aeromobile di riferimento. Ti suggerisco di testare la tua metodologia di modellazione su un modello di ricerca comune (CRM) rappresentativo che ha i dati della galleria del vento disponibili per la convalida. I seminari sulla previsione del trascinamento sono utili a questo scopo ( https://aiaa-dpw.larc.nasa.gov/Workshop4/workshop4.html) forniscono geometria, griglie, dati della galleria del vento e puoi vedere diffusione di previsioni CFD di altre parti. Se non riesci a ottenere cifre ragionevoli per la linea di base, sai che il tuo approccio ha bisogno di lavoro.

3. Il tuo confronto dovrebbe essere effettuato a condizioni di rialzo corrispondenti non alfa. Ciò può essere ottenuto eseguendo uno sweep alpha per entrambi i modelli e interpolando oppure, a seconda del solutore, potresti essere in grado di consentire ad alpha di fluttuare e impostare un CL fisso (questo è ciò che facciamo).

4. La penalità del momento flettente alla radice dell'ala è una considerazione importante anche poiché i carichi aggiuntivi derivanti da un'estensione della punta dell'ala di solito richiedono un rafforzamento aggiuntivo dell'asta che a sua volta aggiunge peso e consuma il guadagno di prestazioni.

5. Un'altra considerazione è il momento di beccheggio in basso aggiuntivo generato dal dispositivo di punta dell'ala. Poiché la punta genera portanza e si trova a poppa del CoG dell'aereo, si verificherà un ulteriore momento di abbassamento. Questo dovrà essere tagliato dalla pinna caudale orizzontale che incorrerà in un'ulteriore penalità di resistenza che ridurrà ancora una volta il tuo guadagno di prestazioni.

6. L'efficienza aerodinamica è solitamente citata in termini di Rapporto di sollevamento / trascinamento. Ho notato dalle immagini del tuo modello che stai simulando solo l'ala e la fusoliera, il che va bene ma per il calcolo L / D, dovresti prendere in considerazione i componenti mancanti: piano di coda orizzontale, piano di coda verticale, gondole del motore, piloni del motore. Poiché il lift over drag calc richiede una divisione sulla resistenza, questa operazione non è lineare. La teoria della resistenza della piastra piatta può essere utilizzata per stimare il contributo alla resistenza dei componenti mancanti. Ciò renderà l'analisi delle prestazioni più rappresentativa di una configurazione completa del velivolo.

7. Anche le caratteristiche di manovrabilità sono un'importante area di considerazione, ad esempio: buffeting, comportamento di stallo, risposta di imbardata ecc. È un'area molto vasta in cui entrare, quindi non lo farò!

Ad ogni modo, puoi vedere dal breve elenco sopra che ci sono molte considerazioni che devono essere prese tenendo conto di una valida tecnologia per l'estremità alare.

Spero che questo aiuti, continua così!