Эффект Коанда

Для сравнения эксперимента с теоретической моделью рассматривается двумерная плоская пристеночная струя шириной ( h ) вдоль круговой стенки радиусом ( r ). Пристеночная струя следует за плоской горизонтальной стенкой, скажем, бесконечного радиуса, или, точнее, радиус которой равен радиусу Земли, без отрыва потока, поскольку поверхностное давление, а также внешнее давление в зоне смешивания везде равны атмосферному давлению, и пограничный слой не отрывается от стенки.

При значительно меньшем радиусе (12 сантиметров на изображении справа) возникает поперечная разница между внешним давлением и давлением на стенку струи, создавая градиент давления, зависящий отчас/рОтносительная кривизна. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Этот градиент давления может возникать в зоне до и после образования струи, где он постепенно нарастает, и исчезать в точке отрыва пограничного слоя струи от стенки, где давление на стенке достигает атмосферного давления (и поперечный градиент становится равным нулю) .

Эксперименты, проведенные в 1956 году с турбулентными воздушными струями при числе Рейнольдса 10⁶ и различной ширине струи ( h ) ^, показывают давление, измеренное вдоль радиуса стенки, изогнутой по кругу ( r ), на ряде горизонтальных расстояний от начала струи (см. диаграмму справа).

Выше критического уровнячас/рПри соотношении 0,5 наблюдаются лишь локальные эффекты в месте образования струи, распространяющиеся на небольшой угол в 18° вдоль изогнутой стенки. Затем струя немедленно отрывается от изогнутой стенки. Таким образом, эффект Коанды здесь не наблюдается, а лишь локальное присоединение: на стенке на расстоянии, соответствующем небольшому углу в 9°, появляется давление меньше атмосферного, за которым следует равный угол в 9°, где это давление возрастает до атмосферного при отрыве пограничного слоя, подверженного этому положительному продольному градиенту. Однако, если ⁠час/рЕсли отношение меньше критического значения 0,5, то давление ниже атмосферного, измеренное на стенке в месте возникновения струи, сохраняется вдоль стенки (до ее конца; см. диаграмму справа). Это «истинный эффект Коанды», поскольку струя прилипает к стенке «при почти постоянном давлении», как в обычной пристеночной струе.

Расчет, выполненный Вудсом в 1954 году для невязкого потока вдоль круглой стенки, показывает, что невязкое решение существует при любой кривизне .час/ри любой заданный угол отклонения вплоть до точки отрыва на стенке, где появляется сингулярная точка с бесконечным наклоном кривой поверхностного давления.

В расчет вводится угол разделения, полученный в предыдущих экспериментах для каждого значения относительной кривизны .час/рИзображение здесь было получено недавно ^{и показывает инерционные эффекты} , представленные невязким решением: рассчитанное поле давления аналогично экспериментальному, описанному выше, вне сопла. Кривизна потока вызвана исключительно поперечным градиентом давления, как описано Т. Янгом. В этом случае вязкость создает только пограничный слой вдоль стенки и турбулентное перемешивание с окружающим воздухом, как в обычной пристеночной струе, за исключением того, что этот пограничный слой отслаивается под действием разницы между конечным давлением окружающей среды и меньшим поверхностным давлением вдоль стенки. Согласно Ван Дайку , как цитируется вLift, вывод его уравнения (4c) также показывает, что вклад вязкого напряжения в поворот потока пренебрежимо мал.

Альтернативным способом может быть расчет угла отклонения, при котором происходит отрыв пограничного слоя, подверженного воздействию невязкого поля давления. Была предпринята попытка приблизительного расчета, позволяющего получить угол отрыва как функцию отчас/ри число Рейнольдса: Результаты отображаются на изображении, например, рассчитано 54° вместо измерено 60° длячас/р= 0,25. Было бы желательно провести больше экспериментов и выполнить более точный расчет пограничного слоя.

Другие эксперименты, проведенные в 2004 году с использованием пристеночной струи 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. вплоть до ⁠час/р= 0,14 при числе Рейнольдса 500 ичас/р= 0,05 при числе Рейнольдса, равном 100.

Л. К. Вудс также выполнил расчет невязкого двумерного течения свободной струи шириной h, отклоняющейся вокруг цилиндрической 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 уголθ. Более того, в случае свободной струи уравнение можно решить в замкнутой форме, получив распределение скорости вдоль круглой стенки. Распределение поверхностного давления затем рассчитывается с использованием уравнения Бернулли. Обозначим давление ( pa ₎ и скорость ( va ₎ вдоль свободной линии тока при атмосферном давлении, аγ —угол вдоль стенки, равный нулю в точке А иθв точке В. Тогда скорость (v) будет равна:

Изображение распределения поверхностного давления струи вокруг цилиндрической поверхности с использованием тех же значений относительной кривизны .час/р⁠ , и тот же уголθ,что и найденный для пристеночной струи, показанной на изображении справа, был установлен: его можно найти в ссылке (15) стр. 104 ^{[ требуется ссылка ]} , и оба изображения довольно похожи: эффект Коанда свободной струи является инерционным, таким же, как эффект Коанда пристеночной струи. Однако экспериментальное измерение соответствующего распределения поверхностного давления неизвестно.

Эксперименты 1959 года Бурке и Ньюмана , касающиеся повторного прикрепления двумерной турбулентной струи к смещенной параллельной пластине после образования отрывного пузыря, в котором 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 изогнутой по кругу стенки на диаграмме справа, описывающей здесь опыт пристеночной струи: струя отделяется от пластины, затем изгибается к пластине, когда окружающая жидкость вовлекается и давление понижается, и в конечном итоге снова прикрепляется к ней, образуя отрывной пузырь. Струя остается свободной, если угол больше 62°.

В последнем случае, а именно в геометрии, предложенной 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 приведенных ниже примерах применения.

В обоих случаях были должным образом измерены распределение поверхностного давления, а также расстояние повторного присоединения, и были разработаны две приближенные теории для среднего давления внутри отрывного пузыря, положения повторного присоединения и увеличения объемного расхода из отверстия: соответствие с экспериментом было удовлетворительным.

Эффект Коанды находит применение в различных устройствах с высокой подъемной силой на самолетах , где воздух, движущийся над крылом, может быть «изогнут вниз» к земле с помощью закрылков и реактивного потока, обдувающего изогнутую поверхность верхней части крыла. Изгиб потока приводит к аэродинамической подъемной силе . 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 отбрасываются от поверхности, тем самым снижая там давление. Следуя за работой Коанды по применению его исследований, и в частности за работой над его «линзовидным аэродинамическим устройством» , Джон Фрост из Avro Canada также потратил значительное время на исследование этого эффекта, что привело к созданию серии самолетов на воздушной подушке типа «наизнанку», из которых воздух выходил кольцом вокруг внешней стороны самолета и направлялся путем «присоединения» к кольцу, похожему на закрылок.

Это отличается от традиционной конструкции судна на воздушной подушке, в которой воздух подается в центральную зону, пленум , и направляется вниз с помощью тканевой «юбки». Был построен только один экземпляр по проекту Фроста — Avro Canada VZ-9 Avrocar .

Avrocar (часто обозначается как «VZ-9») — канадский самолет вертикального взлета и посадки (VTOL), разработанный компанией Avro Aircraft Ltd. в рамках секретного военного проекта США, осуществлявшегося в первые годы холодной войны . ^{[ 20 ]} Avrocar предполагал использование эффекта Коанды для создания подъемной силы и тяги от одного «турборотора», выдувающего выхлопные газы через край дискообразного самолета, что должно было обеспечить характеристики, аналогичные VTOL. В воздухе он напоминал бы летающую тарелку . Были построены два прототипа в качестве «проверочных» образцов для более совершенного истребителя ВВС США, а также для требований армии США к тактическому боевому самолету. ^{[ 21 ]}

Проект 1794 компании Avro 1956 года для американских военных представлял собой летающую тарелку большего размера, основанную на эффекте Коанды и предназначенную для достижения скоростей от 3 до 4 Маха. ^{[ 22 ]} Документы проекта оставались засекреченными до 2012 года.

Этот эффект также был реализован в рамках проекта ВВС США по созданию усовершенствованного транспортного самолета средней грузоподъемности (AMST). Несколько самолетов, в частности Boeing YC-14 (первый современный тип, использующий этот эффект), бесшумный исследовательский самолет для коротких рейсов НАСА и исследовательский самолет Asuka Национальной аэрокосмической лаборатории Японии, были построены с использованием этого эффекта путем установки турбовентиляторных двигателей на верхней части крыльев для обеспечения высокоскоростного воздушного потока даже на малых скоростях полета. Однако до настоящего времени только один самолет был запущен в серийное производство с использованием этой системы в значительной степени — это Антонов Ан-72 . Летающая лодка Shin Meiwa US-1A использует аналогичную систему, но направляет воздушный поток от своих четырех турбовинтовых двигателей на верхнюю часть крыла для создания подъемной силы на малых скоростях. Более уникальной особенностью является наличие пятого турбовального двигателя внутри центральной секции крыла, предназначенного исключительно для обеспечения воздушного потока для мощных закрылков с обдувом . Добавление этих двух систем обеспечивает самолету впечатляющие возможности короткого взлета и посадки.

Экспериментальный McDonnell Douglas YC-15 и его серийный аналог, Boeing C-17 Globemaster III , также используют этот эффект. В вертолете NOTAR обычный хвостовой винт заменен хвостовым оперением, использующим эффект Коанды (схема слева).

Более глубокое понимание эффекта Коанды было обеспечено научной литературой, подготовленной в рамках проекта ACHEON EU FP7. В этом проекте использовалось особое симметричное сопло для эффективного моделирования эффекта Коанды, и были определены инновационные конфигурации самолетов STOL на основе этого эффекта. Эта деятельность была расширена Драганом в секторе турбомашин с целью лучшей оптимизации формы вращающихся лопаток в рамках работы Румынского исследовательского центра Комоти по турбомашинам.

Практическое применение эффекта Коанды заключается в использовании наклонных гидроэнергетических экранов , которые отделяют мусор, рыбу и т. д., которые иначе попали бы в поток, поступающий к турбинам. Благодаря наклону мусор падает с экранов без механической очистки, а благодаря проволокам экрана, оптимизирующим эффект Коанды, вода протекает через экран к водоводам, подающим воду к турбинам.

Эффект Коанды используется в двухрежимных дозаторах жидкости в автомобильных стеклоочистителях.

Принцип работы осцилляционных расходомеров также основан на явлении Коанды. Поступающая жидкость попадает в камеру, содержащую два «острова». Из-за эффекта Коанды основной поток разделяется и проходит под одним из островов. Затем этот поток возвращается обратно в основной поток, заставляя его снова разделиться, но в направлении второго острова. Этот процесс повторяется до тех пор, пока жидкость циркулирует в камере, в результате чего возникает самопроизвольное колебание, прямо пропорциональное скорости жидкости и, следовательно, объему вещества, протекающего через расходомер. Датчик улавливает частоту этого колебания и преобразует ее в аналоговый сигнал, показывающий объем проходящего вещества.

В системах кондиционирования воздуха эффект Коанды используется для увеличения дальности действия потолочного диффузора . Поскольку эффект Коанды заставляет воздух, выходящий из диффузора, «прилипать» к потолку, он проходит большее расстояние, прежде чем упасть, при той же скорости потока, чем если бы диффузор был установлен в свободном пространстве, без соседнего потолка. Более низкая скорость потока означает более низкий уровень шума и, в случае систем кондиционирования воздуха с переменным расходом воздуха (VAV), позволяет использовать более высокие коэффициенты регулирования мощности . Линейные и щелевые диффузоры , имеющие большую длину контакта с потолком, демонстрируют более выраженный эффект Коанды.

В кардиологии эффект Коанды объясняет разделение потоков крови в правом предсердии плода . Он также объясняет, почему эксцентричные струи митральной регургитации притягиваются и рассеиваются вдоль смежных поверхностей стенки левого предсердия (так называемые «струи, прилегающие к стенке», как видно при эхокардиографическом допплеровском исследовании). Это имеет клиническое значение, поскольку визуальная площадь (и, следовательно, тяжесть) этих эксцентричных струй, прилегающих к стенке, часто недооценивается по сравнению с более очевидными центральными струями. В таких случаях для количественной оценки тяжести митральной регургитации предпочтительны объемные методы, такие как метод проксимальной изоскоростной поверхности (PISA) .

В медицине эффект Коанды используется в аппаратах искусственной вентиляции легких.

В метеорологии теория эффекта Коанды также применялась к некоторым воздушным потокам, исходящим из горных хребтов, таких как Карпаты и Трансильванские Альпы , где отмечалось воздействие на сельское хозяйство и растительность. По-видимому, этот эффект наблюдается также в долине Роны во Франции и вблизи Большой Дельты на Аляске.

В автогонках Формулы-1 эффект Коанды использовался командами McLaren, Sauber, Ferrari и Lotus после его первого применения Адрианом Ньюи (команда Red Bull) в 2011 году для перенаправления выхлопных газов через задний диффузор с целью увеличения прижимной силы в задней части автомобиля. Из-за изменений в правилах, установленных FIA с начала сезона Формулы-1 2014 года , использование эффекта Коанды для перенаправления выхлопных газов было исключено из-за обязательного требования, согласно которому выхлопная система автомобиля не должна иметь элементов кузова, предназначенных для создания аэродинамического эффекта, расположенных непосредственно за ней.

В гидродинамике эффект Коанды был использован для создания бистабильных мультивибраторов , в которых рабочий поток (сжатый воздух) прилипал к одной из изогнутых стенок, а управляющие лучи могли переключать поток между стенками.

Эффект Коанды также используется для смешивания двух разных жидкостей в смесителе.