Home » Articole » RO » Știință » Fizica » Materia » Efectul Coandă

Efectul Coandă

postat în: Materia 0

 (O minge de ping pong este ținută într-un curent diagonal de aer prin efectul Coandă. Mingile se „lipesc” de partea inferioară a fluxului de aer, împiedicând căderea mingii. Jetul ca întreg ține mingea la oarecare distanță de fluxul aspirant, și gravitația o împiedică să fie suflată.)

Efectul Coandă este tendința unui jet de fluid să rămână atașat la o suprafață convexă. Așa cum a descris Henri Coandă în diverse brevete: „tendința unui jet de fluid care iese dintr-un orificiu este să urmeze o suprafață plană sau curbată adiacentă și să antreneze lichidul din vecinătate astfel încât să se dezvolte o regiune cu presiune mai mică”. Efectul de presiune, care de obicei nu este indicat, este fundamental pentru înțelegerea efectului Coandă.

Principiul a fost numit după pionierul aeronauticii românești, Henri Coandă, care a fost primul care a recunoscut aplicarea practică a fenomenului în dezvoltarea aeronavelor.

Descoperire

O descriere timpurie a acestui fenomen a fost oferită de Thomas Young într-o prelegere în Societatea Regală în 1800:

”Presiunea laterală care îndeamnă flacăra unei lumanari spre fluxul de aer cînd este suflată este probabil exact aceeași cu cea care ușurează inflexiunea unui curent de aer aproape de un obstacol. Remarcați scobitura pe care un flux subțire de aer o face pe suprafața apei. Aduceți un corp convex în contact cu partea laterală a fluxului, iar locul scobiturii va arăta imediat că curentul este deviat spre corp; și dacă corpul este liber să se miște în toate direcțiile, el va fi îndreptat spre curent…”

O sută de ani mai târziu, Henri Coandă a identificat o aplicare a efectului în timpul experimentelor cu avionul său Coandă-1910, pe care a montat un motor neobișnuit pe care l-a proiectat. Turbina cu motor a împins aerul fierbinte în spate, iar Coandă a observat că fluxul de aer a fost atras de suprafețele din apropiere. În 1934, Coandă a obținut un brevet în Franța pentru „o metodă și un aparat pentru devierea unui fluid într-un alt fluid”. Efectul a fost descris ca „devierea unui jet simplu al unui fluid care pătrunde într-un alt fluid în vecinătatea unui perete convex”. Primele documente oficiale care menționează explicit efectul Coandă au fost două brevete din 1936 ale lui Henri Coandă. Acest nume a fost acceptat de Theodore von Kármán, care a avut cu Coanda o relație științifică lungă în probleme de aerodinamică.

Mecanismul efectului Coandă

O diagramă a unui motor generic care utilizează efectul Coandă
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Coanda_effect_6.jpg 

(O diagramă a unui motor generic care utilizează efectul Coandă pentru a genera ridicarea (sau o mișcare înainte dacă este înclinată la 90 ° lateral). Motorul este de forma aproximativă a unui glonț sau în formă de castron inversat, fluidul fiind expulzat orizontal dintr-o fantă circulară în partea de sus a glonțului. Un mic pas la marginea inferioară a fantei asigură faptul că un vortex cu presiune scăzută se dezvoltă imediat sub punctul în care fluidul iese din fantă. Efectul Coandă determină stratul de fluid să se agațte de suprafața exterioară curbată a motorului. Antrenarea fluidului ambiant în fluxul care curge peste glonț determină o zonă de presiune joasă deasupra glonțului. Aceasta, împreună cu presiunea ambiantă („înaltă”) de sub glonț determină ridicarea sau, dacă este montat orizontal, mișcarea înainte în direcția vârfului glonțului.)

Mecanismul responsabil pentru efectul Coandă:

 

Un jet de aer va atrage molecule de aer din vecinătățile sale imediate, provocând un „tub” sau „manșon”, de joasă presiune în jurul jetului (vezi imaginea 1 din diagramă). Aerul din jurul acestui tub de presiune joasă va exercita o forță asupra jetului, care, atunci când este văzut în secțiune transversală, este egal în toate direcțiile. De aceea, jetul nu se va abate de la deplasarea într-o linie dreaptă. Totuși, dacă o suprafață solidă este plasată aproape și aproximativ paralelă cu jetul (vezi imaginea 2 din diagramă), antrenarea (și, prin urmare, îndepărtarea) aerului dintre suprafața solidă și jet determină o reducere a presiunii de aer pe acea parte a jetului care nu poate fi neutralizată la fel de rapid ca regiunea de joasă presiune de pe partea „deschisă” a jetului. Diferența de presiune pe jet determină jetul să devieze spre suprafața din apropiere și apoi să adere la acesta (imaginea 3). Jetul va adera apoi la suprafață chiar dacă este curbată (imaginea 4), deoarece fiecare schimbare incrementală în direcția suprafeței va produce efectele descrise pentru îndoirea inițială a jetului către suprafață. Dacă suprafața nu este prea curbată, jetul poate, în circumstanțele potrivite, să adere la suprafață chiar și după curgerea la 180° pe o suprafață cilindrică curbată și, prin urmare, să se deplaseze într-o direcție opusă direcției sale inițiale. Forțele care provoacă aceste schimbări în direcția fluxului jetului determină o forță egală și opusă pe suprafața de-a lungul căreia curge jetul. Aceste forțe induse de efectul Coandă pot fi exploatate pentru a determina ridicarea și alte forme de mișcare, în funcție de orientarea jetului și a suprafeței la care jetul aderă.

O mică „buză” pe suprafață în punctul în care jetul începe să curgă peste acea suprafață (vezi imaginea 5 din diagramă) îmbunătățește abaterea inițială a direcției de curgere a jetului și aderarea ulterioară la suprafață. Acest lucru rezultă din faptul că un vortex de joasă presiune se formează în spatele buzei, favorizând înclinarea jetului spre suprafață.

Efectul Coandă poate fi indus în orice lichid și, prin urmare, este la fel de eficient în apă ca și în aer.

Aplicații

Efectul Coandă are aplicații importante în diferite dispozitive de ridicat în aeronave, unde aerul care se deplasează pe aripă poate fi „îndoit” spre sol folosind clapete și un strat de jeturi care suflă peste suprafața curbată a vârfului aripii. Îndoirea curgerii conduce la ridicarea aerodinamică. Debitul de la un motor cu jet de mare viteză, montat într-un suport peste aripă, duce la creșterea înălțimii prin creșterea drastică a gradientului de viteză în fluxul de forfecare din stratul limită. În acest gradient de viteză, particulele sunt suflate departe de suprafață, reducând astfel presiunea acolo. Urmărindu-se îndeaproape activitatea lui Coandă cu privire la aplicațiile cercetării sale și în special la lucrarea cu privire la „Aerodina lenticulară„, John Frost de la Avro Canada, de asemenea, a petrecut mult timp cercetând efectul, rezultând o serie de aeronave de tip hovercraft din care aerul a ieșit dintr-un inel în jurul aeronavei și a fost îndrumat prin a fi „atașat” de un inel asemănător cu clapeta.

Acest lucru este diferit de un design hovercraft tradițional, în care aerul este suflat într-o zonă centrală, plenum, și îndreptat în jos cu ajutorul unei „fuste” de țesătură. Numai unul dintre modelele lui Frost a fost construit vreodată, Avrocar.

VZ-9 AV Avrocar (adesea enumerat ca VZ-9) a fost un avion canadian vertical de decolare și aterizare (VTOL) dezvoltat de Avro Aircraft Ltd. ca parte a unui proiect militar secret al Statelor Unite desfășurat în primii ani de război rece . Avrocar intenționa să exploateze efectul Coandă pentru a oferi ridicare și împingere de la un singur „turborotor” care evacuează pe marginea avionului în formă de disc pentru a oferi performanțe anticipate VTOL. În aer, ar fi semănat cu o farfurie zburătoare. Două prototipuri au fost construite ca vehicule de încercare, „proof-of-concept”, pentru un avion de luptă mai avansat al Forțelor Aeriene din S.U.A. și, de asemenea, pentru o cerință de aeronavă de luptă tactică din S.U.A.

Proiectul 1794 al lui Avro din 1959 pentru militarii americani a fost o farfurie de zbor pe scară largă, bazată pe efectul Coandă, și care intenționa să atingă viteze între Mach 3 și Mach 4. Documentele proiectului au rămas clasificate până în 2012.

Efectul a fost, de asemenea, implementat în timpul proiectului AMST al Forțelor Aeriene din S.U.A. Mai multe aeronave, în special Boeing YC-14 (primul tip modern care exploatează efectul), avionul de cercetare Quiet Short-Haul al NASA și Laboratorul aeronautic național al aviației japoneze Asuka au fost construite pentru a profita de acest efect prin montarea de turboventilatoare pe partea de sus a aripilor pentru a furniza aer de mare viteză chiar și la viteze mici de zbor, dar până în prezent doar o singură aeronavă a intrat în producție utilizând acest sistem într-o măsură majoră, Antonov An-72 „Coaler”. Aeronava de zbor Shin Meiwa US-1A folosește un sistem similar, dar direcționează propulsarea de la cele patru motoare turbopropulsate deasupra vârfului aripii pentru a genera ascensor cu viteză redusă. Mai mult decât atât, încorporează un al cincilea motor cu arbore turbo în interiorul secțiunii centrale a aripii, numai pentru a asigura aerul pentru clapete puternice cu suflare. Adăugarea acestor două sisteme conferă aeronavei o capacitate impresionantă pentru STOL.

Motorul A Coandă înlocuiește rotorul de coadă din elicopterul NOTAR
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:NOTAR_System.svg

(Motorul A Coandă înlocuiește rotorul de coadă din elicopterul NOTAR: 1 Admisie aer 2 Ventilator cu trepte variabile 3 Boom de coadă cu sloturi Coandă 4 Stabilizatoare verticale 5 Propulsor cu jet direct 6 Deflexie în jos 7 Secțiune transversală 8 Ridicare anti-cuplu.)

O diagramă a utilizării lamelelor și a flapsurilor pentru a crește coeficientul maxim de ridicare al unui flotor de aer
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Slats_and_flaps.jpg

(O diagramă a utilizării lamelelor și a flapsurilor pentru a crește coeficientul maxim de ridicare al unui flotor de aer. Coeficientul suplimentar de ridicare este cauzat de efectul Coandă, deoarece aerul este deviat prin orificiile din aripile cauzate de lamele și flapsurile extinse. Flapsurile și lamelele extinse sunt folosite la aeronave comerciale la aterizare și decolare, dar sunt de asemenea folosite pentru a avea un efect deosebit asupra avioanelor de luptă pentru a permite o viteză lentă a aerului. )

C-17 Globemaster III utilizează efectul Coandă (C-17 Globemaster III utilizează efectul Coandă în același mod ca Blackburn Buccaneer, dar cu utilizarea suplimentară a gazelor de eșapament de pe motoarele de pe suprafețele superioare ale aripilor pentru a provoca ridicarea pentru o plimbare confortabilă la viteze mici de zbor.)

McDonnell Douglas YC-15 și succesorul său, Boeing C-17 Globemaster III, utilizează de asemenea efectul. Elicopterul NOTAR înlocuiește rotorul coadă elicoidală convențional cu o coadă cu efect Coandă.

O piatră de hotar în direcția unei mai bune înțelegeri a efectului Coandă a fost literatura științifică ridicată produsă de proiectul ACHEON UE FP7. Acest proiect privind o anumită duză simetrică a produs o modelare eficientă a efectului Coandă. A fost posibilă determinarea configurațiilor inovatoare de STOL bazate pe efectul Coandă. Această activitate a fost extinsă de Centrului de Cercetare Comoti din România.

O utilizare practică importantă a efectului Coandă este pentru ecranele hidraulice înclinate, care separă reziduurile, peștii etc., altfel în fluxul de intrare către turbine. Datorită pantei, resturile cad de pe ecrane fără curățare mecanică și, datorită firelor ecranului, optimizând efectul Coandă, apa curge prin ecran către vanele care conduc apa către turbine.

Efectul Coandă se folosește și în dozatoare de lichid în ștergătoarele de parbriz auto.

Principiul de funcționare al debitmetrelor oscilatorii se bazează, de asemenea, pe fenomenul Coandă. Lichidul de intrare ajunge într-o cameră care conține două „insule”. Datorită efectului Coandă, fluxul principal se desprinde și trece sub una dintre insule. Acest flux trece apoi înapoi în curentul principal, despicându-l din nou, dar în direcția celei de-a doua insulă. Acest proces se repetă atât timp cât lichidul circulă în cameră, rezultând o oscilație auto-indusă care este direct proporțională cu viteza lichidului și, în consecință, cu volumul de substanță care curge prin contor. Un senzor preia frecvența acestei oscilații și îl transformă într-un semnal analogic care dă volumul care trece.

În aerul condiționat, efectul Coandă este exploatat pentru a crește eficiența unui difuzor montat pe plafon. Deoarece efectul Coandă face ca aerul evacuat de difuzor să se „lipsească” de tavan, acesta se deplasează mai mult înainte de a cădea la aceeași viteză de descărcare decât dacă difuzorul ar fi fost montat în aer liber, fără plafonul vecin. Viteza de descărcare mai mică înseamnă niveluri mai scăzute ale zgomotului și, în cazul sistemelor de aer condiționat cu volum variabil de aer, permite o mai mare turbulență. Difuzoarele lineare și difuzoarele cu fantă care prezintă o lungime mai mare de contact cu tavanul prezintă un efect Coandă mai mare.

În medicina cardiovasculară, efectul Coandă explică fluxurile separate de sânge în atriul drept al fetusului. De asemenea, explică motivele pentru care jeturile de regurgitare mitrală excentrică sunt atrase și dispersate de-a lungul suprafețelor adiacente ale pereților atriali din stânga (așa-numitele „jeturi de îmbrățișare a peretelui”, așa cum se vede în interogarea doppler color ecocardiografică). Acest lucru este relevant din punct de vedere clinic, deoarece zona vizuală (și, astfel, severitatea) acestor jeturi excentrice de îmbrățișare a pereților este adesea subestimată în comparație cu jeturile centrale mai vizibile. În aceste cazuri, metodele volumetrice, cum ar fi metoda PISA, sunt preferate pentru a cuantifica severitatea regurgitării mitrale.

În medicină, efectul Coandă este utilizat în ventilatoare.

În domeniul meteorologiei, teoria efectului Coandă a fost aplicată și unor fluxuri de aer care curg din lanțurile muntoase, cum ar fi munții Carpați și Alpii Transilvaniei, unde s-au observat efecte asupra agriculturii și vegetației. De asemenea, pare a fi un efect în Valea Rhone din Franța și în apropierea Big Delta din Alaska.

În Formula 1, efectul Coandă a fost exploatat de echipele McLaren, Sauber, Ferrari și Lotus, după prima introducere de către Adrian Newey (Echipa Red Bull) în 2011, pentru a ajuta la redirecționarea gazelor de eșapament prin difuzorul din spate cu intenția de a crește forța de apăsare în spatele mașinii. Datorită modificărilor în reglementările stabilite de FIA ​​de la începutul sezonului Formulei 1 din 2014, intenția de a redirecționa gazele de eșapament la utilizarea efectului Coandă a fost interzisă.

În fluidică, efectul Coandă a fost utilizat pentru a construi multivibratori bistabili, unde fluxul de lucru (aer comprimat) se lipește de un perete curbat sau de un altul, iar fluxurile de comandă ar putea comuta fluxul între pereți.

(Acest articol, tradus de mine, se datorează în mare parte contribuției în limba engleză a lui Aeronauticengineer67 în Wikipedia)

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *