Эффект Коанда ( / ˈ k w ɑː n d ə / или / ˈ k w æ -/ ) — это тенденция струи жидкости оставаться прикрепленной к выпуклой поверхности . [1] Merriam-Webster описывает его как «тенденцию струи жидкости, выходящей из отверстия, следовать за прилегающей плоской или изогнутой поверхностью и увлекать за собой жидкость из окружающей среды, так что образуется область более низкого давления». [2]
Он назван в честь румынского изобретателя Анри Коанды , который был первым, кто осознал практическое применение этого явления в конструкции самолетов около 1910 года. [a] [3] Впервые он был подробно описан в двух патентах, выданных в 1936 году.
Раннее описание этого явления было дано Томасом Янгом в лекции, прочитанной в Королевском обществе в 1800 году:
Боковое давление, которое толкает пламя свечи к потоку воздуха из паяльной трубки, вероятно, в точности подобно тому давлению, которое облегчает изгиб потока воздуха вблизи препятствия. Отметьте ямку, которую тонкая струя воздуха делает на поверхности воды. Приведите выпуклое тело в соприкосновение со стороной потока, и место ямки немедленно покажет, что поток отклоняется к телу; и если тело будет свободно двигаться в любом направлении, оно будет подталкиваться к потоку... [b]
Сто лет спустя Анри Коанда обнаружил применение эффекта во время экспериментов с его самолетом Coandă-1910 , на котором был установлен необычный двигатель, разработанный им. Турбина с приводом от двигателя толкала горячий воздух назад, и Коанда заметил, что поток воздуха притягивался к близлежащим поверхностям. В 1934 году Коанда получил патент во Франции на «метод и устройство для отклонения жидкости в другую жидкость». Эффект был описан как «отклонение плоской струи жидкости, которая проникает в другую жидкость вблизи выпуклой стенки». Первыми официальными документами, в которых явно упоминается эффект Коанды, были два патента 1936 года Анри Коанды. [4] [5] Это название было принято ведущим аэродинамиком Теодором фон Карманом , который имел длительные научные отношения с Коандой по проблемам аэродинамики. [6]
Свободная струя воздуха увлекает молекулы воздуха из своего непосредственного окружения, вызывая осесимметричную «трубку» или «рукав» низкого давления вокруг струи (см. Диаграмму 1). Результирующие силы от этой трубки низкого давления в конечном итоге уравновешивают любую перпендикулярную неустойчивость потока, что стабилизирует струю на прямой линии. Однако, если твердая поверхность расположена близко и приблизительно параллельно струе (Диаграмма 2), то увлечение (и, следовательно, удаление) воздуха между твердой поверхностью и струей вызывает снижение давления воздуха на той стороне струи, которое не может быть уравновешено так же быстро, как область низкого давления на «открытой» стороне струи. Разница давления на струе заставляет струю отклоняться к близлежащей поверхности, а затем прилипать к ней (Диаграмма 3). [7] [8] Струя еще лучше прилипает к изогнутым поверхностям (Диаграмма 4), потому что каждое (бесконечно малое) приращенное изменение направления поверхности вызывает эффекты, описанные для начального изгиба струи к поверхности. [8] [9] Если поверхность не слишком резко изогнута, струя может, при правильных обстоятельствах, прилипать к поверхности даже после обтекания на 180° цилиндрически изогнутой поверхности и, таким образом, двигаться в направлении, противоположном ее первоначальному направлению. Силы, которые вызывают эти изменения в направлении потока струи, вызывают равную и противоположную силу на поверхности, вдоль которой течет струя. [8] Эти силы, вызванные эффектом Коанды, могут быть использованы для создания подъемной силы и других форм движения в зависимости от ориентации струи и поверхности, к которой она прилипает. [7] Небольшой поверхностный «выступ» в точке, где струя начинает течь по этой поверхности (диаграмма 5), увеличивает начальное отклонение направления потока струи. Это происходит из-за того, что за выступом образуется вихрь низкого давления, способствующий падению к поверхности. [7]
Эффект Коанда может быть вызван в любой жидкости, и поэтому он одинаково эффективен в воде и воздухе. [7] Нагретый аэродинамический профиль значительно снижает сопротивление. [10]
Ранние источники предоставляют теоретическую и экспериментальную информацию, необходимую для получения подробного объяснения эффекта. Эффект Коанды может происходить вдоль изогнутой стенки либо в свободной , либо в пристенной струе .
На левом изображении предыдущего раздела: «Механизм эффекта Коанды», эффект, описанный в терминах Т. Янга как «боковое давление, которое облегчает изгиб потока воздуха вблизи препятствия», представляет собой свободную струю, выходящую из отверстия и препятствия в окружающей среде. Он включает тенденцию свободной струи, выходящей из отверстия, увлекать жидкость из окружающей среды, ограниченной ограниченным доступом, без развития какой-либо области более низкого давления, когда в окружающей среде нет препятствия, как это имеет место на противоположной стороне, где турбулентное перемешивание происходит при давлении окружающей среды.
На правом изображении эффект происходит вдоль изогнутой стенки в виде струи у стены . Изображение справа представляет собой двумерную струю у стены между двумя параллельными плоскими стенками, где «препятствием» является четвертьцилиндрическая часть, следующая за плоским горизонтальным прямоугольным отверстием, так что никакая жидкость не захватывается из окружающей среды вдоль стенки, а только с противоположной стороны в турбулентном смешивании с окружающим воздухом.
Для сравнения эксперимента с теоретической моделью рассматривается двумерная плоская пристенная струя шириной ( h ) вдоль круглой стенки радиусом ( r ). Пристенная струя следует за плоской горизонтальной стенкой, скажем, бесконечного радиуса, или, скорее, радиус которой равен радиусу Земли без разделения, поскольку поверхностное давление, а также внешнее давление в зоне смешения везде равны атмосферному давлению, и пограничный слой не отделяется от стенки.
При гораздо меньшем радиусе (12 сантиметров на изображении справа) возникает поперечная разница между внешним и поверхностным давлением струи, что создает градиент давления, зависящий от час/г , относительная кривизна. Этот градиент давления может появляться в зоне до и после возникновения струи, где он постепенно возникает, и исчезать в точке, где пограничный слой струи отделяется от стенки, где давление на стенке достигает атмосферного давления (а поперечный градиент становится равным нулю).
Эксперименты, проведенные в 1956 году с турбулентными воздушными струями при числе Рейнольдса 10 6 и различной ширине струи ( h ), показывают давления, измеренные вдоль радиуса круговой кривизны стенки ( r ) на ряде горизонтальных расстояний от начала струи (см. диаграмму справа). [11] [12]
Выше критического час/г отношение 0,5 видны только локальные эффекты в начале струи, распространяющиеся на небольшой угол 18° вдоль изогнутой стенки. Затем струя немедленно отделяется от изогнутой стенки. Поэтому здесь не наблюдается эффект Коанды, а только локальное присоединение: давление, меньшее атмосферного, появляется на стенке на расстоянии, соответствующем небольшому углу 9°, за которым следует равный угол 9°, где это давление увеличивается до атмосферного давления при разделении пограничного слоя, при условии этого положительного продольного градиента. Однако, если час/г отношение меньше критического значения 0,5, более низкое, чем окружающее давление, измеренное на стене, видимой в начале струи, продолжается вдоль стены (пока стена не закончится; см. диаграмму справа). Это «истинный эффект Коанды», поскольку струя прилипает к стене «при почти постоянном давлении», как в обычной струе у стены.
Расчет, выполненный Вудсом в 1954 году [13] для течения невязкой жидкости вдоль круглой стенки, показывает, что невязкое решение существует при любой кривизне час/г и любого заданного угла отклонения вплоть до точки отрыва на стенке, где появляется особая точка с бесконечным наклоном кривой поверхностного давления.
Вводя в расчет угол при разделении, найденный в предыдущих экспериментах для каждого значения относительной кривизны час/г , изображение здесь было недавно получено, [14] [ самостоятельно опубликованный источник? ] и показывает инерционные эффекты, представленные невязким решением: вычисленное поле давления похоже на экспериментальное, описанное выше, вне сопла. Кривизна потока вызвана исключительно поперечным градиентом давления, как описано Т. Янгом. Затем вязкость создает только пограничный слой вдоль стенки и турбулентное смешивание с окружающим воздухом, как в обычной пристенной струе, за исключением того, что этот пограничный слой отделяется под действием разницы между конечным давлением окружающей среды и меньшим поверхностным давлением вдоль стенки. Согласно Ван Дайку, [15] , как цитируется 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 пограничный слой, подвергающийся невязкому давлению, отделяется. Был предпринят грубый расчет, который дает угол разделения как функцию час/г и число Рейнольдса: [12] Результаты представлены на изображении, например, 54° вычислено вместо 60°, измеренных для час/г = 0,25. Желательно больше экспериментов и более точный расчет пограничного слоя.
Другие эксперименты, проведенные в 2004 году с использованием струи вдоль круглой стенки, показывают, что эффект Коанды не возникает в ламинарном потоке , а критическое значение час/г отношения для малых чисел Рейнольдса намного меньше, чем для турбулентного потока. [16] вплоть до час/г = 0,14 при числе Рейнольдса 500, и час/г = 0,05 для числа Рейнольдса 100.
LC Woods также выполнил расчет невязкого двумерного потока свободной струи шириной h, отклоненной вокруг круглоцилиндрической поверхности радиусом r, между первым контактом A и разделением в точке B, включая угол отклонения θ . Снова решение существует для любого значения относительной кривизны час/г и угол θ . Более того, в случае свободной струи уравнение можно решить в замкнутой форме, дав распределение скорости вдоль круглой стенки. Затем распределение поверхностного давления рассчитывается с помощью уравнения Бернулли. Отметим давление ( p a ) и скорость ( v a ) вдоль свободной линии тока при давлении окружающей среды, а γ — угол вдоль стенки, который равен нулю в точке A, а θ — в точке B. Тогда скорость ( v ) оказывается равной:
Изображение распределения поверхностного давления струи вокруг цилиндрической поверхности с использованием тех же значений относительной кривизны час/г , и тот же угол θ , что и для струи стены, представленной на изображении справа, был установлен: его можно найти в ссылке (15) стр. 104 [ требуется цитата ] и оба изображения довольно похожи: эффект Коанды свободной струи является инерционным, таким же, как эффект Коанды струи стены. Однако экспериментальное измерение соответствующего распределения поверхностного давления неизвестно.
Эксперименты 1959 года Бурка и Ньюмана [17] относительно повторного присоединения двумерной турбулентной струи к смещенной параллельной пластине после заключения в нее разделительного пузыря, где ограничен 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 круговой изогнутой стенки на диаграмме справа, описывающей опыт пристенной струи: струя отделяется от пластины, затем изгибается к пластине, когда окружающая жидкость увлекается и давление понижается, и в конечном итоге снова присоединяется к ней, заключая в себе разделительный пузырек. 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 при отклонении струи, что используется для улучшения продувки двигателей внутреннего сгорания и увеличения максимального коэффициента подъемной силы крыла, как указано в приложениях ниже.
Распределение поверхностного давления, а также расстояние повторного присоединения были надлежащим образом измерены в обоих случаях, и были разработаны две приблизительные теории для среднего давления внутри разделительного пузырька, положения повторного присоединения и увеличения объемного потока из отверстия: согласие с экспериментом было удовлетворительным.
Эффект Коанды применяется в различных устройствах с высокой подъемной силой на самолетах , где воздух, движущийся над крылом, может быть «изогнут» к земле с помощью закрылков и реактивной струи, обдувающей изогнутую поверхность верхней части крыла. Изгиб потока приводит к аэродинамической подъемной силе . [18] Поток от высокоскоростного реактивного двигателя, установленного в гондоле над крылом, создает повышенную подъемную силу за счет резкого увеличения градиента скорости в сдвиговом потоке в пограничном слое. В этом градиенте скорости частицы сдуваются с поверхности, тем самым понижая там давление. Внимательно следя за работой Коанды по применению его исследований, и в частности за работой над его «Aerodina Lenticulară», [19] Джон Фрост из Avro Canada также потратил значительное время на исследование эффекта, что привело к созданию серии «изнутри наружу» самолетов на воздушной подушке , из которых воздух выходил по кольцу вокруг внешней части самолета и направлялся, будучи «прикрепленным» к кольцу, похожему на закрылок.
Это, в отличие от традиционной конструкции судна на воздушной подушке, в которой воздух нагнетается в центральную область, пленум , и направляется вниз с помощью тканевой «юбки». Только одна из конструкций Фроста была когда-либо построена, Avro Canada VZ-9 Avrocar .
Avrocar (часто упоминаемый как «VZ-9») был канадским вертикальным взлетно-посадочным (VTOL) самолетом, разработанным Avro Aircraft Ltd. в рамках секретного военного проекта США, осуществлявшегося в первые годы Холодной войны . [ 20] Avrocar намеревался использовать эффект Коанда для обеспечения подъемной силы и тяги от одного «турборетрогенератора», выдувающего выхлопные газы из обода дискообразного самолета, чтобы обеспечить ожидаемые характеристики VTOL. В воздухе он напоминал бы летающую тарелку . Два прототипа были построены в качестве «доказательства концепции» испытательных машин для более совершенного истребителя ВВС США, а также для тактического боевого самолета армии США. [21]
Проект 1794 компании Avro 1956 года для американских военных предполагал создание более крупной летающей тарелки на основе эффекта Коанды, способной развивать скорость от 3 до 4 Махов. [22] Документы проекта оставались засекреченными до 2012 года.
Эффект также был реализован в ходе проекта Advanced Medium STOL Transport (AMST) ВВС США . Несколько самолетов, в частности Boeing YC-14 (первый современный тип, использовавший эффект), исследовательский самолет Quiet Short-Haul Research Aircraft НАСА и исследовательский самолет Asuka Национальной аэрокосмической лаборатории Японии , были построены с целью использования этого эффекта путем установки турбовентиляторных двигателей на верхней части крыльев для обеспечения высокоскоростного воздуха даже на низких скоростях полета, но на сегодняшний день только один самолет был запущен в производство с использованием этой системы в значительной степени, Антонов Ан-72 «Угольщик». Летающая лодка Shin Meiwa US-1A использует похожую систему, только она направляет спутную струю от своих четырех турбовинтовых двигателей на верхнюю часть крыла для создания подъемной силы на низкой скорости. Что еще более уникально, она включает пятый турбовальный двигатель внутри центроплана крыла исключительно для обеспечения воздухом мощных выдувных закрылков . Добавление этих двух систем дает самолету впечатляющую возможность STOL.
.svg/1280px-Blackburn_Buccanneer_blown_wings_diagram_(1).svg.png)
Экспериментальный McDonnell Douglas YC-15 и его производственный вариант Boeing C-17 Globemaster III также используют этот эффект. Вертолет NOTAR заменяет обычный винтовой хвостовой винт на хвостовой винт с эффектом Коанда (диаграмма слева).
Лучшее понимание эффекта Коанды было получено благодаря научной литературе, подготовленной в рамках проекта ACHEON EU FP7. [23] В этом проекте использовалось особое симметричное сопло для эффективного моделирования эффекта Коанды, [24] [25] [26] и определялись инновационные конфигурации самолетов STOL на основе этого эффекта. [27] [28] Эта деятельность была расширена Драганом в секторе турбомашиностроения с целью лучшей оптимизации формы вращающихся лопаток в рамках работы румынского исследовательского центра Comoti по турбомашиностроению. [29] [30]
Практическое применение эффекта Коанды — наклонные гидроэнергетические экраны, [31] которые отделяют мусор, рыбу и т. д., в противном случае во входном потоке к турбинам. Благодаря наклону мусор падает с экранов без механической очистки, а благодаря проволокам экрана, оптимизирующим эффект Коанды, вода течет через экран к шлюзам, направляющим воду к турбинам.
Эффект Коанда используется в двухрежимных дозаторах жидкости в автомобильных стеклоомывателях. [32]
Принцип работы колебательных расходомеров также основан на явлении Коанда. Поступающая жидкость попадает в камеру, содержащую два «острова». Благодаря эффекту Коанда основной поток разделяется и проходит под одним 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 самоиндуцированным колебаниям, которые прямо пропорциональны скорости жидкости и, следовательно, объему вещества, протекающего через счетчик. Датчик улавливает частоту этих колебаний и преобразует ее в аналоговый сигнал, выдающий объем, проходящий через него. [33]
В кондиционировании воздуха эффект Коанда используется для увеличения выброса потолочного диффузора . Поскольку эффект Коанда заставляет воздух, выходящий из диффузора, «прилипать» к потолку, он проходит большее расстояние перед падением с той же скоростью выброса, чем если бы диффузор был установлен в свободном воздухе, без соседнего потолка. Более низкая скорость выброса означает более низкие уровни шума и, в случае систем кондиционирования воздуха с переменным объемом воздуха (VAV), обеспечивает более высокие коэффициенты регулировки . Линейные диффузоры и щелевые диффузоры, которые имеют большую длину контакта с потолком, демонстрируют более высокий эффект Коанда.
В сердечно-сосудистой медицине эффект Коанды объясняет отдельные потоки крови в правом предсердии плода . [34] Он также объясняет, почему эксцентричные струи митральной регургитации притягиваются и рассеиваются вдоль смежных поверхностей стенки левого предсердия (так называемые «струи, прижатые к стенке», которые видны при эхокардиографическом цветовом допплеровском исследовании). Это клинически значимо, поскольку визуальная область (и, следовательно, тяжесть) этих эксцентричных струй, прижатых к стенке, часто недооценивается по сравнению с более очевидными центральными струями. В этих случаях для количественной оценки тяжести митральной регургитации предпочтительны объемные методы, такие как метод проксимальной изоскоростной площади поверхности (PISA) .
В медицине эффект Коанда 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 были отмечены эффекты на сельское хозяйство и растительность. Похоже, что это также эффект в долине Роны во Франции и около Большой Дельты на Аляске. [38]
В автомобильных гонках Формулы-1 эффект Коанды использовался командами McLaren, Sauber, Ferrari и Lotus после его первого внедрения Эдрианом Ньюи (Red Bull Team) в 2011 году для перенаправления выхлопных газов через задний диффузор с целью увеличения прижимной силы в задней части автомобиля. [39] Из-за изменений в правилах, установленных FIA с начала сезона Формулы-1 2014 года , намерение перенаправления выхлопных газов для использования эффекта Коанды было сведено на нет из-за обязательного требования, чтобы выхлопная система автомобиля не имела кузова, предназначенного для содействия аэродинамическому эффекту, расположенного непосредственно за ней. [40]
В струйной технике эффект Коанда использовался для создания бистабильных мультивибраторов , в которых рабочий поток (сжатый воздух) прилипал к той или иной изогнутой стенке, а управляющие балки могли переключать поток между стенками.
Эффект Коанда также используется для смешивания двух различных жидкостей в смесителе. [41] [42]
Эффект Коанды можно продемонстрировать, направив небольшую струю воздуха вверх под углом над мячом для пинг-понга. Струя притягивается и следует за верхней поверхностью мяча, изгибаясь вокруг него, из-за (радиального) ускорения (замедления и поворота) воздуха вокруг мяча. При достаточном потоке воздуха это изменение импульса уравновешивается равной и противоположной силой на мяче, поддерживающей его вес. Эту демонстрацию можно выполнить с помощью фена на самой низкой настройке или пылесоса, если выпускное отверстие можно прикрепить к трубе и направить вверх под углом.
Распространенное заблуждение заключается в том, что эффект Коанда проявляется, когда струя водопроводной воды течет по тыльной стороне ложки, слегка удерживаемой в струе, и ложка втягивается в струю (например, Massey 1979, рис. 3.12 использует эффект Коанда для объяснения отклонения воды вокруг цилиндра). Хотя поток выглядит очень похожим на поток воздуха над шариком для пинг-понга выше (если бы можно было увидеть поток воздуха), причиной на самом деле является не эффект Коанда. Здесь, поскольку это поток воды в воздух, вовлечение окружающей жидкости (воздуха) в струю (струю воды) незначительно. Эта конкретная демонстрация доминирует за счет поверхностного натяжения . (McLean 2012, рис. 7.3.6 утверждает, что отклонение воды «на самом деле демонстрирует молекулярное притяжение и поверхностное натяжение».)
Другая демонстрация — направить поток воздуха, например, от пылесоса, работающего в обратном направлении, по касательной мимо круглого цилиндра. Корзина для мусора хорошо подходит. Воздушный поток, кажется, «обволакивает» цилиндр и может быть обнаружен более чем на 180° от входящего потока. При правильных условиях, скорости потока, весе цилиндра, гладкости поверхности, на которой он установлен, цилиндр на самом деле движется. Обратите внимание, что цилиндр не движется прямо в поток, как предсказывает неправильное применение эффекта Бернулли , а по диагонали.
Эффект Коанды можно также продемонстрировать, поместив банку перед зажженной свечой, так что когда линия взгляда проходит вдоль верха банки, пламя свечи полностью скрыто из виду за ней. Если затем дунуть прямо на банку, свеча погаснет, несмотря на то, что банка «на пути». Это происходит потому, что поток воздуха, направленный на банку, огибает ее и все равно достигает свечи, чтобы погасить ее, в соответствии с эффектом Коанды.
Инженерное использование эффекта Коанды имеет как недостатки, так и преимущества.
В морских пропульсиях эффективность винта или подруливающего устройства может быть существенно снижена эффектом Коанды. Сила, действующая на судно, создаваемая винтом, является функцией скорости, объема и направления струи воды, выходящей из винта. При определенных условиях (например, когда судно движется по воде) эффект Коанды изменяет направление струи винта, заставляя ее следовать форме корпуса судна . Боковая сила от туннельного подруливающего устройства на носу судна быстро уменьшается с увеличением скорости движения. [c] Боковая тяга может полностью исчезнуть на скоростях выше примерно 3 узлов. [43] Если эффект Коанды применяется к симметрично сформированным соплам, он создает проблемы резонанса. [28]
{{cite web}}: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link)