Como a relação de aspecto da asa influencia o levantamento e o arrasto?

Sua suspeita está levando você na direção certa. Muito do que você lê na Internet sobre o arrastamento induzido é, pelo menos, enganoso, se não descaradamente errado. Mas isso é repetido por autores desleixados que não fazem as perguntas certas.

Se você leu coisas como " alto AR cria vórtices mais strongs na ponta das asas, o que reduz a sustentação ", você atinge uma declaração completamente errada. A versão enganosa dele é alto AR cria vórtices mais fracos . Para uma explicação esperançosamente melhor, por favor consulte esta resposta .

Agora, as suas perguntas:

1. How does the aspect ratio influence induced drag, why is the AR in denominator?

A resposta surpreendente: é o levantamento por unidade de amplitude e o inverso do quadrado da velocidade de vôo que determinam o arrasto induzido. Outra influência é a distribuição da sustentação sobre a amplitude, mas a proporção não desempenha um papel. Veja esta excelente resposta de @ DeltaLima para uma explicação, ou este por mais tempo.

2. How does it influence lift?

Indiretamente, aumentando a inclinação da curva de elevação .

3. What really happens at the wing tips?

No lado superior, a sucção transforma o fluxo de ar para dentro de modo que o ar receba um componente rotacional e parte dele flua em torno da ponta de baixo para cima. Devido à pequena curvatura da ponta das asas, este vórtice tem baixa pressão em seu núcleo (e permite que o ar se condense no início), mas é geralmente fraco e bastante insignificante. O vórtice real à direita resulta de um acúmulo do velório, mas mesmo isso não cria arrasto.

4. What happens in the wind tunnel on a wing that spans its whole width?

Por favor, leia as respostas para esta questão .

Bem, vamos pegar essas partes da sua mente e resolver isso.

CDtotal = CDo + Clsquared / pi x e x AR

Lendo o site da NASA, deduzimos o seguinte.

1. CDo é o arrasto de sustentação zero, essencialmente tudo, exceto o que produz sustentação. Para simplificar, eles consideram apenas o arrasto induzido da asa, mesmo que a fuselagem e o arrastamento da cauda mudem com o AoA.

2. O resto é induzido pelo arrasto da asa. Arrastar aumenta com o aumento no cl ao quadrado, mais o arrasto é um produto de mais sustentação. Arrastar diminui com AR aumentado. Olhe para um planador.

Por que o aumento da proporção de aspecto torna uma asa mais eficiente (mais sustentação por unidade de empuxo) para a mesma área? Simplesmente porque há um "vazamento" de pressão no final da asa, fazendo com que ela produza menos sustentação por área do que o resto da asa. Quanto menor o acorde da ponta da asa for relativo à área da asa, menor a porcentagem dessa perda do elevador em relação ao levantamento total. Para lá, uma asa de aspecto inferior de área igual precisa de uma AOA mais alta para produzir o mesmo levantamento, produzindo mais arrasto (e vórtices mais enérgicas). O avião deve adicionar mais potência para manter a velocidade, portanto, o aspecto mais alto da asa é mais eficiente. É assim que a relação de aspecto está relacionada ao arrasto e por que seu valor está no denominador.

Lembre-se, os vórtices são o resultado da criação do elevador. Eles são literalmente uma expressão de quanta energia a asa passageira transmitiu ao ar. O aumento é a eficiência com que a energia do ar em movimento foi usada. Arraste = Empuxo!

Finalmente, uma asa que abranja todo o túnel de vento seria útil para focar no desempenho da forma do aerofólio em vários AoA e fornecer um ponto de dados AR "infinito" para comparar com um intervalo de AR a ser testado.