Эффект Коанды ( / ˈ k w ɑː n d ə / или / ˈ k w æ - / ) представляет собой тенденцию струи жидкости оставаться прикрепленной к выпуклой поверхности . [1] Мерриам-Вебстер описывает это как «тенденцию струи жидкости, выходящей из отверстия, следовать по прилегающей плоской или изогнутой поверхности и увлекать жидкость из окружающей среды, так что образуется область более низкого давления». [2]
Он назван в честь румынского изобретателя Анри Коанды , который первым осознал практическое применение этого явления в конструкции самолетов примерно в 1910 году. [a] [3] Впервые это было явно задокументировано в двух патентах, выданных в 1936 году.
Раннее описание этого явления было дано Томасом Янгом в лекции, прочитанной Королевскому обществу в 1800 году:
Боковое давление, подталкивающее пламя свечи к потоку воздуха из духовой трубки, вероятно, в точности аналогично тому давлению, которое облегчает изгиб потока воздуха вблизи препятствия. Отметьте ямочку, которую образует на поверхности воды тонкая струя воздуха. Прикоснитесь выпуклым телом к боковой стороне потока, и место ямочки сразу покажет, что ток отклоняется в сторону тела; и если тело будет иметь возможность двигаться во всех направлениях, оно будет подталкиваться к течению... [b]
Сто лет спустя Анри Коанда определил применение этого эффекта во время экспериментов на своем самолете Коанда-1910 , на котором был установлен необычный двигатель, который он разработал. Турбина с приводом от двигателя выталкивала горячий воздух назад, и Коанда заметил, что поток воздуха притягивался к близлежащим поверхностям. В 1934 году Коанда получил во Франции патент на «метод и устройство для отклонения одной жидкости в другую жидкость». Эффект был описан как «отклонение плоской струи жидкости, проникающей в другую жидкость вблизи выпуклой стенки». Первыми официальными документами, в которых прямо упоминается эффект Коанды, были два патента Анри Коанды 1936 года. [4] [5] Это имя было принято ведущим специалистом по аэродинамике Теодором фон Карманом , который имел давние научные отношения с Коандой по проблемам аэродинамики. [6]
Свободная струя воздуха увлекает молекулы воздуха из ближайшего окружения, образуя вокруг струи осесимметричную «трубку» или «рукав» низкого давления (см. схему 1). Результирующие силы, создаваемые этой трубкой низкого давления, в конечном итоге уравновешивают любую нестабильность перпендикулярного потока, что стабилизирует струю по прямой. Однако если твердая поверхность расположена близко и примерно параллельно струе (Диаграмма 2), то вовлечение (и, следовательно, удаление) воздуха между твердой поверхностью и струей приводит к снижению давления воздуха на этой стороне струи. струя, которую невозможно сбалансировать так же быстро, как область низкого давления на «открытой» стороне струи. Разница давлений поперек струи приводит к тому, что струя отклоняется к близлежащей поверхности, а затем прилипает к ней (диаграмма 3). [7] [8] Струя еще лучше прилипает к искривленным поверхностям (Диаграмма 4), поскольку каждое (бесконечно малое) постепенное изменение направления поверхности вызывает эффекты, описанные для первоначального изгиба струи по направлению к поверхности. [8] [9] Если поверхность не слишком резко изогнута, струя при определенных обстоятельствах может прилипнуть к поверхности даже после обтекания на 180 ° вокруг цилиндрически изогнутой поверхности и, таким образом, двигаться в направлении, противоположном ее первоначальному направлению. . Силы, вызывающие эти изменения направления течения струи, вызывают равную и противоположную силу на поверхности, по которой течет струя. [8] Эти силы, вызванные эффектом Коанды, можно использовать для создания подъемной силы и других форм движения, в зависимости от ориентации струи и поверхности, к которой она прилипает. [7] Небольшая «выступка» поверхности в точке, где струя начинает течь по этой поверхности (Диаграмма 5), увеличивает начальное отклонение направления потока струи. Это происходит из-за того, что за кромкой образуется вихрь низкого давления, способствующий падению к поверхности. [7]
Эффект Коанды может быть вызван в любой жидкости и поэтому одинаково эффективен в воде и воздухе. [7] Нагретый профиль значительно снижает сопротивление. [10]
Ранние источники предоставляют теоретическую и экспериментальную информацию, необходимую для подробного объяснения эффекта. Эффект Коанды может возникать вдоль изогнутой стенки как в свободной , так и в пристенной струе .
На левом изображении предыдущего раздела: «Механизм эффекта Коанды», эффект, описанный, говоря словами Т. Янга, как «боковое давление, которое облегчает изгиб потока воздуха вблизи препятствия», представляет собой свободная струя , выходящая из отверстия и препятствия в окрестностях. Оно включает в себя тенденцию свободной струи, выходящей из отверстия, увлекать жидкость из окружающей среды, ограниченной доступом, без образования какой-либо области более низкого давления, когда в окружающей среде нет препятствий, как это происходит на противоположной стороне, где происходит турбулентное перемешивание. происходит при атмосферном давлении.
На правом изображении эффект проявляется вдоль изогнутой стены в виде струи . Изображение здесь справа представляет собой двухмерную стенную струю между двумя параллельными плоскими стенками, где «препятствием» является четвертьцилиндрическая часть, следующая за плоским горизонтальным прямоугольным отверстием, так что никакая жидкость вообще не захватывается из окружающей среды вдоль стены. но только на противоположной стороне при турбулентном смешивании с окружающим воздухом.
Для сравнения эксперимента с теоретической моделью используется двумерная плоская струя шириной ( h ) вдоль круглой стенки радиуса ( r ). Пристеночная струя следует за плоской горизонтальной стенкой, скажем, бесконечного радиуса, или, скорее, радиус которой равен радиусу Земли без отрыва, поскольку поверхностное давление, как и внешнее давление в зоне смешения, везде равно атмосферному давлению и граничному давлению. слой не отделяется от стены.
При гораздо меньшем радиусе (12 сантиметров на изображении справа) возникает поперечная разница между внешним и пристеночным давлением струи, создавая градиент давления в зависимости отчас/р, относительная кривизна. Этот градиент давления может появиться в зоне до и после зарождения струи, где он постепенно возникает, и исчезнуть в точке отрыва пограничного слоя струи от стенки, где давление на стенке достигает атмосферного давления (и поперечный градиент становится нулевым). ).
Эксперименты, проведенные в 1956 году с турбулентными воздушными струями при числе Рейнольдса 10 6 при различной ширине струи ( h ), показывают давления, измеренные вдоль кругло изогнутой стенки ( r ) на ряде горизонтальных расстояний от начала струи (см. схема справа). [11] [12]
Выше критического уровнячас/рПри коэффициенте 0,5 видны только локальные эффекты в начале струи, распространяющиеся под небольшим углом 18° вдоль изогнутой стенки. Затем струя сразу же отделяется от изогнутой стенки. Поэтому здесь не наблюдается эффект Коанды, а лишь локальное прикрепление: на стенке на расстоянии, соответствующем малому углу в 9°, появляется давление меньше атмосферного, за которым следует такой же угол в 9°, где это давление возрастает до атмосферное давление при отрыве пограничного слоя с учетом этого положительного продольного градиента. Однако, есличас/рЕсли соотношение меньше критического значения 0,5, то давление ниже, чем окружающее, измеряется на стенке, видимой в месте возникновения струи, продолжающейся вдоль стенки (до тех пор, пока стенка не закончится; см. диаграмму справа). Это «настоящий эффект Коанды», поскольку струя прилипает к стене «при почти постоянном давлении», как и в обычной настенной струе.
Расчет невязкого течения вдоль круглой стенки, сделанный Вудсом в 1954 г. [ 13 ], показывает , что невязкое решение существует при любой кривизне.час/ри любой заданный угол отклонения до точки отрыва на стенке, где появляется особая точка с бесконечным наклоном кривой поверхностного давления.
Вводя в расчет угол отрыва, найденный в предыдущих опытах для каждого значения относительной кривизнычас/р, изображение здесь было получено недавно, [14] [ собственный источник? ] и показывает инерционные эффекты, представленные невязким раствором: расчетное поле давления аналогично экспериментальному, описанному выше, вне сопла. Искривление потока обусловлено исключительно поперечным градиентом давления, как описал Т. Янг. Тогда вязкость создает только пограничный слой вдоль стенки и турбулентное перемешивание с окружающим воздухом, как в обычной пристенной струе, за исключением того, что этот пограничный слой отделяется под действием разницы между окончательно окружающим давлением и меньшим поверхностным давлением вдоль стенки. Согласно Ван Дайку, [15] , цитируемому в Lift , вывод его уравнения (4c) также показывает, что вклад вязкого напряжения в поворот потока незначителен.
Альтернативным способом было бы вычислить угол отклонения, при котором отделяется пограничный слой, находящийся под действием невязкого поля давления. Был предпринят грубый расчет, который дает угол разделения как функциючас/ри число Рейнольдса: [12] Результаты отображаются на изображении, например, 54° вычислено вместо 60°, измеренного длячас/р= 0,25. Было бы желательно провести больше экспериментов и более точный расчет пограничного слоя.
Другие эксперименты, проведенные в 2004 году со струей вдоль круглой стенки, показывают, что эффект Коанды не возникает в ламинарном потоке , и критическое значениечас/рОтношения для малых чисел Рейнольдса намного меньше, чем для турбулентного потока. [16] вплоть дочас/р= 0,14 с числом Рейнольдса 500, ичас/р= 0,05 для числа Рейнольдса, равного 100.
Л. К. Вудс также произвел расчет невязкого двумерного течения свободной струи шириной h, отклоняемой вокруг круглоцилиндрической поверхности радиуса r, между первым контактом A и отрывом в точке B, включая угол отклонения θ . И снова решение существует для любого значения относительной кривизны.час/ри угол θ . Более того, в случае свободной струи уравнение можно решить в замкнутой форме, дав распределение скорости вдоль круговой стенки. Распределение поверхностного давления затем рассчитывается с использованием уравнения Бернулли. Заметим давление ( p a ) и скорость ( v a ) вдоль линии свободного тока при окружающем давлении, а γ - угол вдоль стенки, который равен нулю в A и θ в B. Тогда находится скорость ( v ) быть:
Изображение распределения поверхностного давления струи вокруг цилиндрической поверхности при тех же значениях относительной кривизны.час/р, и был установлен тот же угол θ , что и для пристенной струи, показанной на изображении справа: его можно найти в ссылке (15) с. 104 [ нужна цитация ] , и оба изображения очень похожи: эффект Коанды свободной струи инерционен, как и эффект Коанды пристенной струи. Однако экспериментальные измерения соответствующего распределения поверхностного давления неизвестны.
Эксперименты Бурка и Ньюмана [17] 1959 года, касающиеся повторного присоединения двумерной турбулентной струи к смещенной параллельной пластине после включения разделительного пузыря, в котором удерживается вихрь низкого давления (как на изображении 5 в предыдущем разделе), а также для двумерной струи, за которой следует одна плоская пластина, наклоненная под углом вместо кругообразно изогнутой стенки на диаграмме справа, описывающей эффект пристенной струи: струя отделяется от пластины, затем изгибается в сторону пластины, когда окружающая жидкость увлекается, давление снижается и в конечном итоге снова присоединяется к ней, заключая в себе разделительный пузырь. Струя остается свободной, если угол больше 62°.
В этом последнем случае, который представляет собой геометрию, предложенную Коандой, изобретатель утверждает, что количество жидкости, увлекаемой струей из окружающей среды, увеличивается, когда струя отклоняется, и это свойство используется для улучшения продувки двигателей внутреннего сгорания. и увеличить максимальный коэффициент подъемной силы крыла, как указано в приложениях ниже.
Распределение поверхностного давления, а также расстояние повторного присоединения были должным образом измерены в обоих случаях, и были разработаны две приближенные теории для среднего давления внутри разделительного пузыря, положения повторного присоединения и увеличения объемного потока из отверстия: согласие с экспериментом прошло удовлетворительно.
Эффект Коанды находит применение в различных устройствах подъемной силы на самолетах , где воздух, движущийся по крылу, можно «наклонить» к земле с помощью закрылков и реактивного листа, обдувающего изогнутую поверхность верхней части крыла. Изгиб потока приводит к возникновению аэродинамической подъемной силы . [18] Поток от высокоскоростного реактивного двигателя, установленного в гондоле над крылом, создает увеличенную подъемную силу за счет резкого увеличения градиента скорости сдвигового потока в пограничном слое. При таком градиенте скорости частицы сдуваются с поверхности, что снижает давление там. Внимательно следя за работой Коанды по применению его исследований, и в частности за работой над его «Aerodina Lenticală», [19] Джон Фрост из Avro Canada также потратил значительное время на исследование этого эффекта, что привело к созданию серии судов на воздушной подушке «наизнанку». -подобный самолету, из которого воздух выходил по кольцу вокруг самолета и направлялся, «прикрепляясь» к кольцу, похожему на закрылок.
Это отличие от традиционной конструкции судна на воздушной подушке, в которой воздух нагнетается в центральную зону, камеру сгорания , и направляется вниз с помощью тканевой «юбки». Был построен только один из проектов Фроста — Avro Canada VZ-9 Avrocar .
Avrocar (часто обозначаемый как VZ-9) — канадский самолет вертикального взлета и посадки (VTOL), разработанный компанией Avro Aircraft Ltd. в рамках секретного военного проекта США, реализованного в первые годы Холодной войны . [20] Avrocar намеревался использовать эффект Коанды для обеспечения подъемной силы и тяги от одного «турборотора», выдувающего выхлопные газы из обода дискообразного самолета, чтобы обеспечить ожидаемые характеристики, подобные вертикальному взлету и посадке. В воздухе он напоминал бы летающую тарелку . Два прототипа были построены в качестве испытательных машин для проверки концепции более совершенного истребителя ВВС США, а также для нужд тактического боевого самолета армии США. [21]
В проекте 1794 компании Avro 1956 года для вооруженных сил США была разработана более масштабная летающая тарелка, основанная на эффекте Коанды и предназначенная для достижения скорости от 3 до 4 Маха. [22] Документы проекта оставались засекреченными до 2012 года.
Этот эффект также был реализован в ходе проекта Advanced Medium STOL Transport (AMST) ВВС США . Несколько самолетов, в частности Boeing YC-14 (первый современный тип, использующий этот эффект), тихий ближнемагистральный исследовательский самолет НАСА и исследовательский самолет Asuka Национальной аэрокосмической лаборатории Японии, были построены для использования этого эффекта. путем установки турбовентиляторных двигателей в верхней части крыльев для обеспечения высокой скорости воздуха даже на низких скоростях полета, но на сегодняшний день в производство пошел только один самолет, в значительной степени использующий эту систему, - Ан -72 «Уголь». Летающая лодка Shin Meiwa US-1A использует аналогичную систему, только она направляет поток воздуха от четырех турбовинтовых двигателей через верхнюю часть крыла для создания подъемной силы на малой скорости. Еще более уникально то, что он включает в себя пятый турбовальный двигатель внутри центроплана крыла исключительно для обеспечения воздухом мощных закрылков . Добавление этих двух систем дает самолету впечатляющие возможности взлета и посадки.
.svg/1280px-Blackburn_Buccanneer_blown_wings_diagram_(1).svg.png)
Экспериментальный McDonnell Douglas YC-15 и его серийный вариант Boeing C-17 Globemaster III также используют этот эффект. Вертолет NOTAR заменяет обычный рулевой винт на хвостовое оперение с эффектом Коанды (схема слева).
Лучшее понимание эффекта Коанды было обеспечено научной литературой, подготовленной проектом ACHEON EU FP7. [23] В этом проекте использовалось особое симметричное сопло для эффективного моделирования эффекта Коанды, [24] [25] [26] и были определены инновационные конфигурации самолетов СВП на основе этого эффекта. [27] [28] Эта деятельность была расширена Драганом в секторе турбомашин с целью лучшей оптимизации формы вращающихся лопаток в результате работы румынского исследовательского центра Комоти по турбомашинам. [29] [30]
Практическое использование эффекта Коанды - для наклонных гидроэнергетических экранов [31] , которые отделяют мусор, рыбу и т. д., в противном случае, в потоке, поступающем к турбинам. Из-за наклона мусор падает с решеток без механической очистки, а благодаря нитям сетки, оптимизирующим эффект Коанды, вода поступает через решетку к затворам, ведущим к турбинам.
Эффект Коанды используется в дозаторах жидкости двойного типа в омывателях автомобильных стекол. [32]
Принцип работы колебательных расходомеров также основан на явлении Коанды. Поступающая жидкость попадает в камеру, содержащую два «острова». Из-за эффекта Коанды основной поток разделяется и уходит под один из островов. Затем этот поток возвращается в основной поток, заставляя его снова разделяться, но в направлении второго острова. Этот процесс повторяется до тех пор, пока жидкость циркулирует в камере, что приводит к автоколебаниям, которые прямо пропорциональны скорости жидкости и, следовательно, объему вещества, протекающему через счетчик. Датчик улавливает частоту этих колебаний и преобразует ее в аналоговый сигнал, обеспечивающий проходящий объем. [33]
В системах кондиционирования воздуха эффект Коанды используется для увеличения направленности диффузора , установленного на потолке . Поскольку эффект Коанды заставляет воздух, выпускаемый из диффузора, «прилипать» к потолку, он перемещается дальше, прежде чем упасть, с той же скоростью выпуска, чем если бы диффузор был установлен на открытом воздухе, без соседнего потолка. Более низкая скорость нагнетания означает более низкий уровень шума и, в случае систем кондиционирования воздуха с регулируемым объемом воздуха (VAV), обеспечивает больший диапазон регулирования . Линейные и щелевые диффузоры, которые имеют большую длину контакта с потолком, демонстрируют больший эффект Коандэ.
В сердечно-сосудистой медицине эффект Коанды объясняет наличие отдельных потоков крови в правом предсердии плода . [34] Это также объясняет, почему эксцентрические струи митральной регургитации притягиваются и рассеиваются вдоль прилегающих поверхностей стенки левого предсердия (так называемые «струи, прилегающие к стенке», как видно при эхокардиографическом цветном допплеровском исследовании). Это клинически значимо, поскольку видимая область (и, следовательно, выраженность) этих эксцентричных струй, прилегающих к стене, часто недооценивается по сравнению с более очевидными центральными струями. В этих случаях для количественной оценки тяжести митральной регургитации предпочтительны объемные методы, такие как метод площади проксимальной равноскоростной поверхности (PISA) .
В медицине эффект Коанды используется в аппаратах искусственной вентиляции легких. [35] [36] [37]
В метеорологии теория эффекта Коанды также применялась к некоторым воздушным потокам, вытекающим из горных хребтов, таких как Карпаты и Трансильванские Альпы , где было отмечено воздействие на сельское хозяйство и растительность. Похоже, что этот эффект также наблюдается в долине Роны во Франции и вблизи Большой Дельты на Аляске. [38]
В автомобильных гонках Формулы-1 эффект Коанды использовался командами McLaren, Sauber, Ferrari и Lotus после первого внедрения Адрианом Ньюи (команда Red Bull) в 2011 году, чтобы перенаправить выхлопные газы через задний диффузор с намерение увеличить прижимную силу в задней части автомобиля. [39] Из-за изменений в правилах, установленных FIA с начала сезона Формулы-1 2014 года , намерение перенаправить выхлопные газы для использования эффекта Коанды было отменено из-за обязательного требования, чтобы выхлопные газы автомобиля не имели кузов, предназначенный для усиления аэродинамического эффекта, расположенный непосредственно за ним. [40]
В струйной технике эффект Коанды использовался для создания бистабильных мультивибраторов , где рабочий поток (сжатый воздух) прилипал к той или иной изогнутой стене, а управляющие лучи могли переключать поток между стенками.
Эффект Коанды также используется для смешивания двух разных жидкостей в смесителе. [41] [42]
Эффект Коанды можно продемонстрировать, направив небольшую струю воздуха вверх под углом над мячом для пинг-понга. Струя притягивается к верхней поверхности шара и следует за ней, огибая ее из-за (радиального) ускорения (замедления и поворота) воздуха вокруг шара. При достаточном потоке воздуха это изменение импульса уравновешивается равной и противоположной силой, действующей на шар, поддерживающей его вес. Эту демонстрацию можно выполнить с помощью фена на минимальной мощности или пылесоса, если выпускное отверстие можно прикрепить к трубе и направить вверх под углом.
Распространенным заблуждением является то, что эффект Коанды проявляется, когда струя водопроводной воды течет по тыльной стороне ложки, слегка удерживаемой в струе, и ложка втягивается в поток (например, Мэсси 1979, рис. 3.12 использует эффект Коанды для объяснить отклонение воды вокруг цилиндра). Хотя поток очень похож на поток воздуха над мячом для пинг-понга выше (если бы можно было увидеть поток воздуха), на самом деле причина не в эффекте Коанды. Здесь, поскольку это поток воды в воздух, происходит небольшой унос окружающей жидкости (воздуха) в струю (поток воды). В этой конкретной демонстрации преобладает поверхностное натяжение . (McLean 2012, рисунок 7.3.6 утверждает, что отклонение воды «фактически демонстрирует молекулярное притяжение и поверхностное натяжение».)
Другая демонстрация состоит в том, чтобы направить поток воздуха, например, из пылесоса, работающего задним ходом, по касательной мимо круглого цилиндра. Корзина для мусора работает хорошо. Поток воздуха словно «обволакивает» цилиндр и может быть обнаружен под углом более 180° от входящего потока. При правильных условиях, скорости потока, весе цилиндра, гладкости поверхности, на которой он расположен, цилиндр действительно движется. Обратите внимание, что цилиндр движется не прямо в поток, как можно было бы предсказать из-за неправильного применения эффекта Бернулли , а по диагонали.
Эффект Коанды также можно продемонстрировать, поставив банку перед зажженной свечой так, чтобы, когда линия взгляда находится вдоль верхней части банки, пламя свечи полностью скрывалось за ней. Если затем дунуть прямо на банку, свеча погаснет, несмотря на то, что банка находится «на пути». Это связано с тем, что поток воздуха, направленный на банку, огибает ее и все же достигает свечи, чтобы погасить ее, в соответствии с эффектом Коанды.
Инженерное использование эффекта Коанды имеет как преимущества, так и недостатки.
В морских двигательных установках эффективность гребного винта или подруливающего устройства может быть серьезно снижена из-за эффекта Коанды. Сила, действующая на судно, создаваемая гребным винтом, зависит от скорости, объема и направления струи воды, выходящей из гребного винта. При определенных условиях (например, когда корабль движется по воде) эффект Коанды меняет направление струи гребного винта, заставляя ее повторять форму корпуса корабля . Боковая сила туннельного двигателя на носу корабля быстро уменьшается с увеличением скорости движения. [c] Боковая тяга может полностью исчезнуть на скорости выше примерно 3 узлов. [43] Если эффект Коанды применяется к соплам симметричной формы, это создает резонансные проблемы. [28]
{{cite web}}: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link)