Primeiro, pergunta incrível e ótima investigação! Esse tipo de pergunta "vamos ver o que acontece" o levará longe se você decidir seguir a aerodinâmica em um nível avançado (e, é claro, em outras atividades). Há pouco tempo, tive que escrever um relatório semelhante: sem os recursos e o conhecimento dos gigantes aeroespaciais, eu também me perguntava por que poderia aparentemente inventar projetos que, diante das coisas, pareciam muito superiores aos deles. Eu pensei que tinha winglets frio.
Depois fui trabalhar para a Boeing e comecei a conversar com os aerodinâmicos. Comecei a estudar pós-graduação em aeronáutica. Acontece, sem surpresa, que há muito que você não pode obter com livros de graduação e dados disponíveis ao público. Embora eu obviamente não possa ser exaustivo aqui - e provavelmente nem vou responder sua pergunta à carta -, posso lhe dar algumas coisas em que pensar. Para ser claro, eu não iria muito além do que você tem com sua modelagem e simulação, mas se você quiser alguns pontos de discussão para o seu artigo, aqui estão alguns em nenhuma ordem específica. Fiz algumas suposições sobre o seu nível de conhecimento; portanto, perdoe-me se for condescendente e pergunte-me se você precisa de esclarecimentos.
A fidelidade do seu modelo de linha de base
The winglets...were those of the 737MAX....The wing is the same as that of a 737NG.
Em quais dados você baseou seu modelo? A asa de um 737 não é uma simples questão de um aerofólio, algum afunilamento e torção. Percebo que você não incluiu naceles / pilões ou carenagens com abas. O design de um winglet de produção está fortemente ligado à integração do design geral das asas, incluindo todos os componentes extras pendurados nele.
A razão pela qual os winglets 737 MAX são eficazes
O 737 MAX usa o que é marcado como winglet de Tecnologia Avançada (AT). Nós sabemos isso uma extensão de asa bem projetada é mais eficiente em termos aerodinâmicos que uma asa. Mas a envergadura da envergadura do 737 deve permanecer dentro de certos limites para operar com a mesma infraestrutura de solo dos modelos anteriores, portanto, um winglet é uma boa solução. Mas e se pudéssemos ter um pouco dos dois? Bem, o winglet AT faz exatamente isso:
The lower winglet is configured such that upward deflection of the wing under an approximate 1-g flight loading causes the lower winglet to move upwardly and outwardly from the static position to an in-flight position resulting in an effective span increase of the wing.
Então, para realmente entender a eficiência do winglet AT, você precisará modelar essa geometria desviada.
O outro item que contribui para a eficácia do winglet AT é seu fluxo laminar natural:
On previous winglets, the drag due to friction from the airflow over the winglet is one of the main detractors from efficient airflow....this is solved by Boeing using detailed design, surface materials and coatings that enable laminar – or smoother – airflow over the winglet.
O regime de fluxo que você está modelando
Os winglets AT são mais eficazes, pois sua eficiência é agregada em pernas de cruzeiro longas, de alta velocidade e alta altitude. Tudo o que você deu é uma verdadeira velocidade no ar, mas para esse tipo de análise de aeronaves de transporte, o número Mach é muito mais importante. Você não forneceu uma temperatura do ar, mas, a partir da densidade fornecida, parece que esta simulação está no nível do mar, o que significa que seu número Mach não é alto o suficiente. Mas isso de fato pode explicar parcialmente seus resultados. Observe o curva de arrasto:
Em geral, um winglet esiroide como o seu reduz o arrasto induzido às custas de algum arrasto parasitário. Como você pode ver, podemos permitir um arrasto parasitário extra em velocidades mais baixas porque o arrasto induzido domina.
Se eu fizesse uma sugestão, seria executar sua simulação em um número Mach realista (em torno do 0.8) e ver o que acontece. Mas cuidado...
As limitações do seu software CFD
Estamos chegando ao ponto em que o CFD, quando bem implementado, é bastante bom para modelar o desempenho das aeronaves em voos de cruzeiro. Atualmente, grande parte dos testes em túneis de vento para grandes aeronaves concentra-se em condições de alta elevação e manobras, onde o CFD fica muito mais curto. Obviamente, sempre queremos validar nosso CFD no túnel de vento para todas as condições de voo, mas para configurações bem conhecidas no cruzeiro, os resultados geralmente combinam bem em termos de cálculo do desempenho geral. Mas a ressalva "quando bem implementada" é fundamental. Pessoalmente, não tenho experiência com o SOLIDWORKS Flow Simulation, mas parece que ele foi projetado para ser um software CFD de uso geral; portanto, não confio muito nos resultados para simulações grandes, complexas e de alta velocidade, como as necessárias. para esta análise.
Em particular, há a questão da turbulência. Não no sentido de ar instável que empurra um avião, mas no sentido de fluxo caótico sobre a superfície do avião. Tão caótico, de fato, que nenhum computador no mundo pode modelar com precisão o movimento com um tempo de computação suficientemente curto. Em vez disso, usamos modelos de turbulência que tentam aproximar o que está acontecendo de uma maneira que possa ser resolvida com bastante rapidez. O SOLIDWORKS usa o modelo k-epsilon, que é popular para software de uso geral, mas pode não ser a melhor opção aqui. Em particular, notas Wilcox,
Even the [k-epsilon] model's demonstrable inadequacy for flows with adverse pressure gradient has done little to discourage its widespread use.
Como os fluxos sobre aerofólios são bastante influenciados por gradientes de pressão adversos, eu teria cuidado. Posso lhe dizer que a Boeing faz bom uso do Modelo de turbulência Spalart – Allmaras em conjunção com simulação destacada de redemoinho (Spalart é um funcionário). Mas escolher a implementação correta de CFD para um problema específico é um processo diferenciado que exige muito julgamento e cuidado.
