Эффект Коанда

Эффект Коанды: мяч для пинг-понга «зависает» в воздушной струе

Общий термин эффект Коанды обозначает различные причинно не связанные явления, которые предполагают тенденцию струи газа или потока жидкости «бегать» по выпуклой поверхности вместо того, чтобы отрываться и двигаться в исходном направлении потока.

Точное определение и дифференциация от эффекта Бернулли затруднительны. Этот термин редко используется в научной литературе.

история

Анри Коанда построил свой первый самолет в 1910 году - Коанда-1910 . Предполагалось, что он будет оснащен двигателем Thermojet , комбинацией компрессора с поршневым двигателем и двух камер сгорания. Двигатель крепился к оконечности фюзеляжа и должен был выбрасывать две реактивные тяги по диагонали назад / наружу . Однако во время первого испытания Коанда заметил, что горячие газы следовали контуру фюзеляжа и текли вдоль него. Самолет был разрушен во время этой работы; дальнейшие практические испытания с реактивным двигателем не проводились до 30 лет спустя.

Эффект Коанды также использовался для создания «летающих тарелок», таких как Avrocar . Сегодня есть технические применения эффекта в авиации, Формуле-1 и других сферах.

Потоки жидкости

Связанный эффект, взаимодействие Ван-дер-Ваальса : струя воды повторяет форму ложки.

Прилипание жидкости к твердым телам в потоке происходит из-за молекулярных взаимодействий, таких как взаимодействие Ван-дер-Ваальса . Это также вызывает прилипание жидкости к нижней стороне горизонтальных поверхностей. Таким образом, отклонение водяной струи происходит не из-за эффекта Коанда, который основан на взаимодействии струи жидкости с окружающей жидкостью в связи с прилегающей поверхностью.

Газовые форсунки

В случае «подвижной» поверхности, наоборот, можно также показать, как она «висит» на газовой струе. Следующий простой эксперимент показывает это:

Пузырь наверху (выпуклость) листа бумаги. Он приподнимается, «прилипает» к воздушной струе и удерживается в подвешенном состоянии. Поскольку бумага имеет лишь легкий вес, устанавливается равновесие: стенка подвижна, поэтому она может «уступать» отклонению потока, а поток отклоняется лишь незначительно - ровно настолько, насколько это необходимо для преодоления веса. бумаги.

Эксперимент очень легко провести, и его часто ошибочно используют для объяснения подъемной силы на крыльях . Однако это не объясняет создание подъемной силы на крыльях, потому что поток вокруг них другой.

Побочным эффектом является шар для пинг-понга, который «висит» в наклонной воздушной струе: из-за эффекта Коанды поток воздушной струи не отделяется от мяча, а окружает его (почти) полностью без отсоединения. Поскольку шар свешивается немного ниже центра воздушной струи, поток вокруг него не является симметричным. Больше воздуха отклоняется вниз, поскольку скорость потока и поперечное сечение струи на нижней стороне шара меньше, чем на верхней. В ответ мяч испытывает восходящую силу. Это делается в суперпозиции с эффектом Магнуса (шар вращается). Оба эффекта - каждый для себя - не позволяют мячу упасть, а только «скользят» по нижней стороне воздушной струи. Сопротивление, которое мяч оказывает потоку, удерживает его на расстоянии от сопла, а сила тяжести не дает его просто унести. Это позволяет мячу плавать в более или менее устойчивом положении.

Объяснение

слева: поток отрывается относительно быстро - справа: струя следует за поверхностью (эффект Коанды)

Коанда описал следующее: Газовая струя  - то есть пространственно узко ограниченный поток, который значительно отличается от (в основном стационарной) окружающей среды - течет по поверхности. Если поверхность отклоняется от первоначального направления потока, струя не продолжает течь по прямой линии, а следует за поверхностью. До этого наблюдения Коанда уже проводил обширные эксперименты с «нормальными» потоками (то есть не со струями) и определенно знал, что нормальные потоки могут следовать выпуклой кривой только в ограниченной степени, а затем разделяться.

Поток , соответствующий эффекту Коанда ( в дальнейшем упоминается как «Коанда потока» для краткости) на короткое время по сравнению с нормальным потоком, например , на профиле аэродинамической поверхности. Что поразительно, так это значительно большая способность потока Коанды следовать за выпуклой стенкой, а не отделяться. Следовательно, имеет смысл, помимо сходства, проработать различия между Coandă и нормальным потоком.

Оба типа потока состоят из очень тонкого фрикционного пограничного слоя у стенки (темно-серый на графике) и за пределами потока, на который не влияет трение стенки. В пограничном слое определяется, при каких условиях поток вдоль стены в непосредственной близости от стены останавливается и может затем покинуть стенку (см. Разделение потока ).

В нормальном потоке закон Бернулли применяется вне пограничного слоя . Здесь он должен использоваться следующим образом: выпуклая отступающая стенка → больше места для потока → замедление потока из-за закона сохранения массы → увеличение давления из-за закона Бернулли. На графике показано тормозящее действие градиента давления, т.е. отрицательное ( ). В пограничном слое повышение давления без изменений передается от невозмущенного потока к стенке, так что там поток замедляется не только из-за трения, но и из-за повышения давления, что очень скоро приводит к остановке и отрыву. ${\ displaystyle - \ nabla p}$

Основное отличие от течения Коанды состоит в том, что там струя течет вдоль стенки («эффект пристенной струи »). Таким образом, поток Коанды состоит из пограничного слоя, относительно тонкого невозмущенного слоя (струи), а затем из дополнительного слоя трения с воздушными массами «снаружи» (выделен светло-серым цветом на графике). Воздух снаружи находится в состоянии покоя , поэтому согласно закону Бернулли не происходит повышения давления, поэтому нет существенной причины для отделения пограничного слоя от стены. Поток Коанды длится дольше обычного. Что в конечном итоге приводит к замене потока Коанды, так это трение ( напряжение сдвига), центробежная сила ( которая обычно не важна при нормальном потоке) и в соответствующих случаях также сила тяжести . ${\ displaystyle {\ vec {S}}}$${\ displaystyle {\ vec {I}}}$${\ displaystyle {\ vec {G}}}$

Поскольку при нормальных полетах вдоль крыльев течет не струя, а нормальный поток, в котором закон Бернулли применяется повсюду за пределами пограничного слоя и возникает повышение давления, поток Коанды не может использоваться для объяснения возникновения подъемной силы.

Обстоятельства, препятствующие пониманию эффекта Коанды:

• Течение Коанды становится сложнее понять в трехмерном пространстве, потому что разделение не только вызвано остановкой («сзади»), но также происходит по бокам струи за счет бокового ускорения, струя сужается и толще.
• Эффект Коанды становится трудным для понимания, когда он работает вместе с другими эффектами в самых разных экспериментах, например, в эксперименте с мячом для пинг-понга, упомянутом выше, в котором эффект Магнуса также задерживает отстранение еще больше.

Приложения

Эффект Коанды используется в авиастроении для увеличения подъемной силы в двух вариантах:

Двигатель расположен прямо над крылом, и его реактивная тяга отклоняется вниз системой закрылков на крыле - это, конечно, возможно только на очень небольшой площади крыла, остальная часть крыла работает в "нормальном режиме". " поток. Одно из первых его применений было найдено в советских Ан-32 , Антонов Ан-72 , Антонов Ан-74 и в кандидате для « проекта AMST » ВВС США (Advanced Medium STOL Transport), YC-14. . Для того чтобы такое расположение было выгодным, оно требует огромной мощности двигателя, а закрылки в области тяговой струи должны быть особенно прочными и защищенными. Также существуют серьезные проблемы с управляемостью и безопасностью (например, в случае отказа двигателя).

Второе применение представляет собой смесь Коанды и «нормального» потока: струя вдувается в уже сильно развитый пограничный слой «нормального» потока, чтобы позволить ей обтекать закрылки и т. Д. Дальше, чем это было бы возможно в противном случае. Это уже не «чистый поток Коанды», потому что поток в этой области следует только «улучшить»: на внешнем сдвиговом слое высокая скорость струи должна передаваться и без того медленному пограничному слою внешнего потока.

Этот принцип успешно применяется на обычных судах на подводных крыльях в области носовых и концевых клапанов ( продувка пограничного слоя ), например, в больших летающих лодках от производителя Shin Meiwa, используемых ВМС и береговой охраной Японии . Это приложение также требует очень высокой мощности двигателя, потому что должны генерироваться мощные форсунки. «Нормальный» поток может быть улучшен такими мерами в особых условиях полета (медленный полет во время взлета и посадки), но на нормальные условия полета нельзя повлиять по причинам затрат.

Эффектным применением является вертолет NOTAR , на котором можно сохранить хвостовой винт: на круглой стреле, которая выполнена в виде трубы, в зоне нисходящего течения несущего винта нисходящий поток направляется вокруг стрелы путем выдувания воздуха. таким образом, что он частично компенсирует противодействующий крутящий момент ротора. Кроме того, на конце стрелы требуется регулируемое сопло. Преимущества заключаются в экономии тяжелой и сложной механики и в значительном повышении безопасности. Цена: дополнительный внутренний вентилятор для создания воздушного потока на хвостовой балке. Один исполняемый шаблон - это MD Explorer .

В 2012 году этот принцип также нашел свой путь в Формуле 1 : В выхлопные системы используют этот эффект , чтобы генерировать больше контактное давление , направляя выхлопные газы в зазоры между задними колесами и опорной пластиной и , таким образом , защищая в диффузор от воздушного потока со стороны .

Существуют и другие применения в системах отопления и вентиляции, а также на кухне и в лаборатории. Выливание жидкости без подтекания - особенно из полного стакана (с носиком) - происходит по стеклянной палочке. На банках с напитками, а также на упаковках для напитков и (алкогольных) бутылок есть разливочные устройства. У старых бутылок с пробкой из аптеки был воротник, который легко было наливать, бутылки для лекарств и лабораторные стеклянные бутылки обычно имеют сливные кольца, сделанные из пластика или сделанные на краю самого стекла. В длинный список патентов Коанды в США также входят форсунки для карбюраторов.

На водосборах необслуживаемые фильтры используют эффект Коанды через наклонные входные сита.

Настенный шлепанец

Эффект Коанды также используется в пневматических или гидравлических системах управления. ( Флюидика )

литература

• Александр Соберер: Экспериментальные исследования эффекта Коанда. Дипломированный специалист, Венский технологический университет, 1998 г.
• Антон Фельдер: Исследование возможности применения эффекта Коанда в гражданском строительстве. Дисс., Технический университет Мюнхена, 1993.
• Гериберт Мартинидес: Измерения свободной турбулентной струи и эффекта Коанда. Дипл.-арб., ТУ Вена 1958.

веб ссылки

• Моделирование потока с изображениями и видео об эффекте Коанда

зыбь

1. ^ Сравнение выхлопа Формулы 1: проблема под названием Coanda из журнала AUTO MOTOR UND SPORT
2. ↑ Не требующие обслуживания мелкие сита в Inox - система Thaler