Кіріспе
Сұйық ағынының дөңес бетке жабысып қалу бейімі Коанда эффектісі (Coandă effect) – сұйық ағынының дөңес бетке жабысып қалу бейімі. Merriam-Webster бұл құбылысты "жарықтан шыққан сұйық ағынының жақын жатқан жазық немесе қисық беттің бойымен өтуге және айналадағы ортадан сұйықтықты тартып, төмен қысым аймағын құруға бейімділігі" деп сипаттайды. Бұл құбылыс румындық изобретатор Анри Коанданың есімімен аталады, ол 1910 жылдар шамасында ұшақ құрылымында осы құбылыстың практикалық қолданысын алғаш рет байқаған. Алғашқы рет бұл құбылыс 1936 жылы шыққан екі патентте толық сипатталған.
The Coandă effect ('/k//w//ɑː//n//d//ə/ or '/k//w//æ// /) is the tendency of a fluid jet to stay attached to a convex surface. Merriam Webster describes it as "the tendency of a jet of fluid emerging from an orifice to follow an adjacent flat or curved surface and to entrain fluid from the surroundings so that a region of lower pressure develops." It is named after Romanian inventor Henri Coandă, who was the first to recognize the practical application of the phenomenon in aircraft design around 1910. It was first documented explicitly in two patents issued in 1936.
Механизм
Коанда әсерін пайдаланып көтеру (немесе 90 градусқа бұрылғанда алға жылғалу) қамтамасыз ететін жалпы қозғалтқыштың схемасы. Қозғалтқыш пішін жағынан шамамен оқ немесе төңкерілген ине тәрізді, ал сұйықтық оқтың үстіңгі жағындағы дөңгелек тілік арқылы көлденең шығарылады. Тіліктің төменгі жиегіндегі кішкентай өткел сұйықтықтың тіліктен шығар жерінен бастап төмен қысымды құйынның пайда болуын қамтамасыз етеді (5-суретті қараңыз). Содан кейін Коанда әсері сұйықтық қабатының қозғалтқыштың қисық сыртқы бетіне жабысуына себеп болады. Оқтың үстіндегі төмен қысымды аймақтың қалыптасуына қоршаған сұйықтықтың оқ ағынына сіңуі себеп (1-5-суреттер). Бұл, оқтың астындағы қоршаған ("жоғары") қысыммен бірге, көтерілуді немесе, егер көлденең орнатылса, оқтың бағытында алға жылғалуды тудырады. Ағын қисық беттерге одан да жақсы жабысады (4-суретте), себебі беттің бағытындағы кез келген (өлшеусіз кішкентай) өзгеріс ағынды бетке қарай бастапқы иілу үшін сипатталған әсерлерді тудырады. Егер бет тым қисық болмаса, ағын дұрыс жағдайда, цилиндрлі қисық бетті 180 градусқа айналып өткеннен кейін де бетке жабысып, бастапқы бағытына қарама-қарсы бағытта қозғала алады. Ағынның бағытын өзгертетін күштер, ағын ағып жатқан бетке тең және қарама-қарсы күшті тудырады. Ағынның бетке ағып бастайтын жердегі кішкентай "ернек" (5-сурет) ағын бағытының бастапқы бұрылуын арттырады. Бұл төмен қысымды құйынның ернек артында пайда болуынан туындайды, ол бетке қарай құлауға көмектеседі.
Өмір сүру шарттары
Ертедегі дереккөздер эффектінің толыққанды түсіндірмесін алуға қажетті теориялық және тәжірибелік ақпаратты ұсынады. Коанда эффекті қисық қабырға бойымен не еркін, не қабырғалық ағын түрінде пайда болуы мүмкін. Алдыңғы бөлімнің сол жағындағы суреті: "Коанда эффектісінің механизмі", Т. Янгтың терминдерімен айтқанда, "ауа ағынының кедергіге жақын иілуін жеңілдететін бүйірлік қысым" ретінде сипатталған эффект, тесіктен шығатын және қоршаған ортадағы кедергіге тірелетін еркін ағынды көрсетеді. Бұл ашық тесіктен шығатын еркін ағынның қоршаған ортадан шектеулі қол жеткізілетін сұйықтықты тартып алуға бейімділігін қамтиды, ал қоршаған ортада кедергі болмаған жағдайда төмен қысым аймағы қалыптаспайды, керісінше, қоршаған орта қысымында турбулентті араласу орын алады. Оң жақтағы суретте эффект қисық қабырға бойымен қабырғалық ағын ретінде көрінеді. Оң жақтағы сурет екі параллель жазық қабырға арасындағы екі өлшемді қабырғалық ағынды бейнелейді, мұнда "кедергі" – жазық көлденең тіктөртбұрышты тесіктен кейін орналасқан шиыршық тәрізді бөлік, сондықтан қабырға бойымен қоршаған ортадан ешқандай сұйықтық тартылмайды, тек қарсы жағында ғана қоршаған ортамен турбулентті араласу болады.
Еркін ұшқыш
Л. К. Вудс сонымен қатар ені h еркін ағынның екі өлшемді қозғалысын есептеуді жүзеге асырды, ол радиусы r шеңберлі цилиндрлік бетке шағылысып, А нүктесіндегі алғашқы жанасудан бастап, В нүктесінде бөлінуге дейін, θ бұрылыс бұрышын қамтиды. Тағы да, салыстырмалы қисықтық пен θ бұрышының кез келген мәні үшін шешім бар. Сонымен қатар, еркін ағын жағдайында теңдеуді жабық түрде шешуге болады, бұл шеңбер қабырғасы бойымен жылдамдық таралуын береді. Беткі қысым таралуы одан кейін Бернулли теңдеуі арқылы есептеледі. Қоршаған орта қысымындағы еркін ағын сызығы бойындағы қысымды (pa) және жылдамдықты (va) және қабырға бойындағы γ бұрышын, ол А нүктесінде нөлге, ал В нүктесінде θ-ға тең екенін атап өтейік. Содан кейін жылдамдық (v) келесідей анықталады: Цилиндрлік бетке шағылысқан ағынның беткі қысым таралуының суреті, салыстырмалы қисықтықтың бірдей мәндерін және оң жақтағы суретте көрсетілген қабырғалық ағындағы θ бұрышын қолдана отырып, құрылды: оны сілтеме (15) бетінен 104 табуға болады, және екі сурет те өте ұқсас: еркін ағынның Коанда әсері инерциялық, қабырғалық ағынның Коанда әсерімен бірдей. Дегенмен, тиісті беткі қысым таралуын эксперименттік жолмен өлшеу белгісіз. 1959 жылы Бурк пен Ньюманның жүргізген эксперименттері екі өлшемді турбулентті ағынды екі жақты параллель пластинаға қайта бағыттауға қатысты, ол бөлгіш көпіршігін құру арқылы төмен қысымды айналдырады (алдыңғы бөлімдегі 5-суретте көрсетілгендей), сондай-ақ екі өлшемді ағынды дөңгелек иілген қабырғаның орнына белгілі бұрышпен еңкейтілген бір жақты пластинамен ұстауға қатысты, бұл қабырғалық ағын тәжірибесін сипаттайды: ағын пластинадан бөлінеді, содан кейін айналадағы сұйықтық тартылып, қысым төмендегенде пластинаға қарай иіледі, содан кейін ол бөлгіш көпіршігін құрады. Бұрыш 62°-тан жоғары болса, ағын еркін қалады. Коанда ұсынған геометрияның соңғы жағдайында, ойлап табушының пікірінше, ағынның бұрылуы кезінде айналадағы ортадан тартылатын сұйықтық мөлшері артады, бұл ішкі жану қозғалтқыштарындағы тазалауды жақсарту және қанаттың максималды көтеру коэффициентін арттыру үшін пайдаланылатын ерекшелік, төмендегі қолданыстарда көрсетілгендей. Екі жағдайда да беткі қысым таралуы және қайта бағыттау арақашықтығы өлшенді, сондай-ақ бөлгіш көпіршігінің ішіндегі орташа қысымды, қайта бағыттау орнын және тесіктен ағын көлемінің артуын анықтау үшін екі шамамен теория жасалды: эксперименттік нәтижелермен келісім қанағаттанарлық болды.
An image of the surface pressure distribution of the jet round the cylindrical surface using the same values of the relative curvature , and the same angle θ as those found for the wall jet reported in the image on the right side here has been established: it may be found in reference (15) p. 104 and both images are quite similar: the Coandă effect of a free jet is inertial, the same as Coandă effect of a wall jet. However, an experimental measurement of the corresponding surface pressure distribution is not known. Experiments in 1959 by Bourque and Newmann concerning the reattachment of a two dimensional turbulent jet to an offset parallel plate after enclosing a separation bubble where a low pressure vortex is confined (as in the image 5 in the preceding section) and also for a two dimensional jet followed by a single flat plate inclined at an angle instead of the circularly curved wall in the diagram on the right here describing the experience of a wall jet: the jet separates from the plate, then curves towards the plate when the surrounding fluid is entrained and pressure lowered, and eventually reattaches to it, enclosing a separation bubble. The jet remains free if the angle is greater than 62°. In this last case which is the geometry proposed by Coandă, the claim of the inventor is that the quantity of fluid entrained by the jet from the surroundings is increased when the jet is deflected, a feature exploited to improve the scavenging of internal combustion engines, and to increase the maximum lift coefficient of a wing, as indicated in the applications below. The surface pressure distribution as well as the reattachment distance have been duly measured in both cases, and two approximate theories have been developed for the mean pressure within the separation bubble, the position of reattachment and the increase in volume flow from the orifice: the agreement with experiment was satisfactory.
Ауаны баптау
Ауа баптау жүйелерінде Коанда эффектісі төбеге орнатылған диффузордың ауа тастау қашықтығын арттыру үшін қолданылады. Коанда эффектісі диффузордан шыққан ауаның төбеге "жабысуына" себеп болатындықтан, бұл ауа, диффузор еркін ауада орнатылғандағыға қарағанда, бірдей шығу жылдамдығында төбеден түсуден бұрын ұзаққа дейін жетеді. Ағызу жылдамдығының төмендеуі шу деңгейінің төмендеуін білдіреді және өзгермелі ауа көлемі (VAV) жүйелерінде ауа ағынының үлкен диапазонда реттелуіне мүмкіндік береді. Төбемен ұзын бойға жанасқан сызықтық және слотты диффузорлар Коанда эффектісін күштірек көрсетеді.
Денсаулық сақтау
Жүрек-қан тамырлары медицинасында Коанда эффектісі ұрықтың оң қарыншасындағы қан ағындарының бөлек болуын түсіндіреді. Сондай-ақ, ол эксцентрикалық митральді реггитация ағынының қалай тартылып, жақын орналасқан сол жақ қақпақ қабырғасының беттері бойымен таралатынын түсіндіреді ("қабырғаны құшақтайтын" ағын, эхокардиографиялық түсті доплер зерттеуінде көрінеді). Бұл клиникалық маңызға ие, себебі осы эксцентрикалық қабырғаны құшақтайтын ағындардың көрінетін ауданы (демек, ауырлығы) көбінесе орталық ағындармен салыстырғанда кем бағаланады. Мұндай жағдайларда митральді реггитацияның ауырлығын анықтау үшін проксимальды изовелоциттік бет ауданы (PISA) әдісі сияқты көлемдік әдістерді қолдану ұсынылады. Медицинада Коанда эффектісі вентиляторларда қолданылады.
Метеорология
Метеорологияда Коанда әсерінің теориясы Карпат таулары және Трансильвания Альптері сияқты тау жоталарынан шығатын кейбір ауа ағындарына да қолданылды, онда ауыл шаруашылығы мен өсімдік жамылғысына әсері байқалған. Бұл әсер Францияның Рона аңғарында және Аляскадағы Үлкен дельта аймағында да көрінеді.
Автоматтық жарыстар
Формула-1 автокөлік жарыстарында Коанда әсерін McLaren, Sauber, Ferrari және Lotus командалары пайдаланды, 2011 жылы Адриан Ньюи (Red Bull командасы) алғаш рет енгізгеннен кейін, көліктің артқы бөлігінде көтерілмейтін күшті (downforce) арттыру мақсатында, шығарынды газдарды артқы диффузор арқылы бағыттап, осы арқылы олардың ағынын өзгертуге көмектесті.
Көрсеткіш
Коанда эффектісін шағын ауа ағынын пинг-понг доп үстінен жоғары қарай бұрышпен бағыттау арқылы көрсетуге болады. Ауа ағыны (радиалды) үдеуінің (баяулау және бұрылудың) нәтижесінде доптың жоғарғы бетіне тартылып, оның контурын бойлай жүреді. Ауа ағыны жеткілікті болса, бұл импульстің өзгеруі доптың салмағын теңдестіретін, оған кері бағытталған күшпен өзара тепе-теңдік құрады. Бұл тәжірибені ең төменгі күйдегі шаш кептіргішімен немесе шығыс құбырына қосылып, жоғары бұрышта бағытталған вакуумдық тазартқышпен жасауға болады. Жиі кездесетін жаңылыс пікір – Coandă эффектісі су құбырынан ағып жатқан су ағынының, ағыста жеңіл ұсталған қасықтың артқы жағына тиіп, қасықты ағысқа тартуында көрінеді (мысалы, цилиндрдің айналасындағы судың бұрылуын түсіндіру үшін Coandă эффектісі қолданылады). Ағын пинг-понг доп үстіндегі ауа ағынына ұқсас болғанымен (егер ауа ағынын көруге болар болса), оның себебі шын мәнінде Coandă эффектісі емес. Мұнда су ауаға ағып жатқандықтан, ағынға (су ағынына) қоршаған ортаның сұйықтығы (ауа) аз мөлшерде тартылады. Бұл тәжірибеде беттік кернеу басым. (Судың бұрылуы «молекулалық тартылыс пен беттік кернеуді көрсетеді» делінеді). Тағы бір мысал – вакуумдық тазартқышты кері режимде іске қосып, ауа ағынын дөңгелек цилиндрге жанама бағыттау. Қоқыс жәшігі жақсы жұмыс істейді. Ауа ағыны цилиндрдің «айналасына оралып» сияқты көрінеді және кіріс ағынынан 180 градустан асатын жерде анықталуы мүмкін. Дұрыс жағдайларда – ағын мөлшері, цилиндрдің салмағы, тіреу бетінің тегістігі – цилиндр қозғалады. Ескеріңіз, цилиндр Бернулли эффектісін дұрыс қолданбаған жағдайда, ағынға тікелей емес, диагональ бойынша қозғалады. Coandă эффектісін шамды жарықтандырып, алдына банка қойып та көрсетуге болады, мұнда банканың үстінен қарағанда, шам жалыны оның артында көрінбейді. Егер банкаға тікелей үрлесеңіз, банка «кедергі келтіргеніне» қарамастан, шам сөніп қалады. Себебі банкаға бағытталған ауа ағыны оны айналып өтеді және шамға жетіп, оны сөндіреді, бұл Coandă эффектісіне сәйкес келеді.
Жасалған проблемалар
Коанда әсерін инженерлік қолданудың артықшылықтары да, кемшіліктері де бар. Теңіз көлігінде пропеллердің немесе жылғыштың тиімділігі Коанда әсерінен айтарлықтай төмендеуі мүмкін. Пропеллерден шығатын су ағынының жылдамдығы, көлемі және бағыты – кемеге түсетін күштің факторы болып табылады. Белгілі бір жағдайларда (мысалы, кеме су арқылы қозғалғанда) Коанда әсері пропеллер ағынының бағытын өзгертіп, оны кеме корпусының пішініне сәйкес қылып бағыттайды. Кеменің бау жағындағы туннельді жылғыштың бүйірлік күші алға жылдамдық артқан сайын тез төмендейді. Шамамен 3 түйіннен асып кеткенде бүйірлік итеру күші толығымен жойылуы мүмкін. Егер Коанда әсері симметриялы пішіндес соплодарға қолданылса, резонанс проблемалары туындауы мүмкін.