Det är vanligt att se linjeformade moln på himlen, känd som konturer, släpande bakom motorerna på ett jetflygplan.

Det som inte alltid syns är en virvel som kommer av spetsen på varje ving – som två små horisontella tornados – och lämnar efter sig ett turbulent kölvatten bakom fordonet. Vaken utgör en destabiliserande flygrisk, särskilt för mindre flygplan som delar samma flygväg.

Ny forskning vid University of Illinois visade att, även om de flesta vingformer som används idag skapar dessa turbulenta vågvirvlar, vinggeometrin kan utformas för att reducera eller eliminera vingspetsvirvlar nästan helt. I studien, vortex- och vakegenskaperna beräknades för tre klassiska vingdesigner:den elliptiska vingen, och vingdesigner utvecklade i klassiska studier av R.T. Jones och Ludwig Prandt.

"Den elliptiska vingkonfigurationen har använts som guldstandarden för aerodynamisk effektivitet under större delen av ett sekel. Vi lär våra elever att den har de optimala belastningsegenskaperna och att den ofta används när man tittar på vingeffektiviteten till exempel, minimera motståndet, sa Philip Ansell, biträdande professor vid institutionen för flygteknik vid U of I.

I en tidigare experimentell studie om att optimera vingkonfigurationer, Ansell lärde sig att du kan få effektiviteten i vingsystemet med en icke-elliptisk vingprofil. "Tidigare akademiska studier har visat att, teoretiskt sett, det finns andra konstruktioner som faktiskt ger lägre motstånd för en plan vinge för en fast mängd lyftgenerering. Men det som har saknats är ett verkligt äpple-till-äpple-experiment för att bevisa det."

I denna nya forskning, Ansell, och hans doktorand, Prateek Ranjan, använde de verkliga data från den tidigare studien för att analysera de tre vingkonfigurationerna.

"Vi jagade det här eftersom vi såg något konstigt i våra mätningar i det tidigare experimentet. Följaktligen, i denna nya studie, vi simulerade flödet kring dessa tre vingar och såg betydande skillnader i hur virvlarna och vaken utvecklades från var och en av de tre vingtyperna. Jones och Prandtl-vingkonfigurationerna hade inte vingspetsvirvlar som den elliptiska vingen. De hade en mycket mer gradvis bulkdeformation av hela vakstrukturen, snarare än en omedelbar sammanhängande roll-up. Vi vet nu att vi kan fördröja bildandet av vågvirvelstrukturer, och öka avståndet det tar för en efterföljande väckningsvirvel att rulla upp med cirka 12 gånger, vilket gör det svagare och mindre farligt för flygplanet som kommer in i dess kölvatten."

Ansell sa att denna information kan användas för att skräddarsy hur formationsflygning ses mellan flygplan, eller att utveckla en ny idealisk konfiguration för lyftlastning för starter och landningar, och därefter minska längden på separationen mellan flygplan i samma flygbana.

"Släpande vingspetsvirvlar tenderar att ta lång tid att försvinna när de väl bildas i atmosfären. Så tiden det tar för virveln att skingras måste räknas in i starttiden för nästa flygplan som går i samma bana. Rörelsen av luften som produceras av dessa virvlar kan skapa en fara för släpande flygplan, eftersom det kan vara oförutsägbart och skapa farliga flygregimer. Så att använda Jones eller Prandtl-vingarna skulle resultera i mycket mindre turbulent luft bakom ett plan, sa Ansell.

Man skulle kunna tro att Ansells slutsats är att bara använda Jones- eller Prandtl-vingkonfigurationerna, men det är inte.

"En av de saker som först drog mig till ämnet aerodynamik är att det rätta svaret alltid beror på dina begränsningar. Om du bygger ett litet obemannat fordon som kommer att flyga i låg hastighet, du får en annan lösning för designbehov än om du bygger ett flygplan som kan transportera människor på höga höjder och höga hastigheter. Så tekniskt sett, du kan hävda att alla tre vingtyperna är den bästa lösningen. Frågan är, vilka är dina körbegränsningar, som vingspänn och vikt, bakom valet av en av dem?"

Ansell tillade att detta är en grundforskningsstudie och inte avsedd att ge råd till en specifik flygplansdesigner eller företag.

"Vi tittar på hur vingflödet beter sig och informationen kan användas för att förstå hur upprullningsprocessen av virvlar produceras. Denna studie gör att vi kan vara medvetna om hur vingkonfigurationen påverkar den efterföljande virvelbildningen och vaken genom att studera de extrema gränserna för omedelbara och fördröjda virvelupprullningsprocesser, sa Ansell.

"Intressant nog identifierade vi att en av de värsta förövarna av att skapa virvlar verkligen är den elliptiska lyftfördelningen, som också är bland de mest konventionella vingdesignerna. Det har definitivt förändrat mitt sätt att prata om frågan i mina klasser. Istället för att bara referera till flödesmönstren som produceras bakom vingen som ett par "vingspetsvirvlar", "Jag har tagit för att beskriva hela vaken som produceras som det efterföljande virvelsystemet."

Pappret, "Beräkningsanalys av virvelvaken utan kännetecken för nära-fältsupprullning, " var medförfattare av Prateek Ranjan och Phillip J. Ansell. Det visas i Journal of Aircraft .