Введение
Тенденция струи жидкости оставаться прилегающей к выпуклой поверхности.
Эффект Коанды (Coandă effect) — это тенденция струи жидкости оставаться прилегающей к выпуклой поверхности. Merriam-Webster определяет его как «тенденцию струи жидкости, выходящей из отверстия, следовать по соседней плоской или изогнутой поверхности и увлекать за собой жидкость из окружающей среды, создавая область пониженного давления». Эффект назван в честь румынского изобретателя Анри Коанды, который первым осознал практическое применение этого явления в авиационной технике примерно в 1910 году. Впервые явление было четко задокументировано в двух патентах, выданных в 1936 году.
Механизм
Диаграмма обобщенного двигателя, использующего эффект Коанды для создания подъемной силы (или движения вперед, если наклонен на 90°). Двигатель имеет приблизительно форму пули или перевернутой чаши, при этом жидкость выбрасывается горизонтально из круглой щели в верхней части пули. Небольшой выступ на нижнем крае щели обеспечивает формирование вихря низкого давления непосредственно под точкой выхода жидкости из щели (см. диаграмму 5). Далее эффект Коанды заставляет поток жидкости прилипать к изогнутой внешней поверхности двигателя. Захват окружающего потока в поток, обтекающий пулю, создает область низкого давления над пулей (диаграммы 1–5). Это, в сочетании с окружающим ("высоким") давлением под пулей, создает подъемную силу или, при горизонтальной установке, движение вперед в направлении вершины пули. Струя еще лучше прилипает к изогнутым поверхностям (диаграмма 4), поскольку каждое (бесконечно малое) приращение изменения направления поверхности вызывает эффекты, описанные для первоначального отклонения струи к поверхности. Если поверхность не слишком сильно изогнута, струя при определенных условиях может прилипать к поверхности даже после прохождения 180° вокруг цилиндрически изогнутой поверхности и, следовательно, двигаться в направлении, противоположном ее первоначальному направлению. Силы, вызывающие эти изменения в направлении потока струи, создают равную и противоположную силу на поверхности, вдоль которой струя течет. Небольшой поверхностный "край" в точке, где струя начинает обтекать поверхность (диаграмма 5), увеличивает начальное отклонение направления потока струи. Это происходит из-за того, что за краем образуется вихрь низкого давления, способствующий прилипанию к поверхности.
Условия существования
Ранние источники предоставляют теоретическую и экспериментальную информацию, необходимую для детального объяснения эффекта. Эффект Коанды может возникать вдоль изогнутой стенки как в свободном, так и в стеновом потоке. На левом изображении предыдущего раздела "Механизм эффекта Коанды" эффект, описанный в терминах Т. Янга как "боковое давление, облегчающее отклонение потока воздуха вблизи препятствия", представлен свободным потоком, выходящим из отверстия, и препятствием в окружающей среде. Он включает в себя тенденцию свободного потока, выходящего из отверстия, захватывать жидкость из окружающей среды с ограниченным доступом, не создавая области пониженного давления при отсутствии препятствия в окружающей среде, как это происходит с противоположной стороны, где происходит турбулентное смешивание при атмосферном давлении. На правом изображении эффект проявляется вдоль изогнутой стенки в виде стенового потока. Изображение справа демонстрирует двумерный стеновой поток между двумя параллельными плоскими стенками, где "препятствие" представлено четвертью цилиндра, следующей за плоским горизонтальным прямоугольным отверстием, так что жидкость из окружающей среды не захватывается вдоль стенки, а только с противоположной стороны в результате турбулентного смешивания с атмосферным воздухом.
Свободный самолет
Л. К. Вудс также выполнил расчет невязкого двумерного потока свободной струи шириной h, отклоняющейся вокруг круглой цилиндрической поверхности радиусом r, между точкой первого контакта A и точкой отрыва в B, включая угол отклонения θ. Снова существует решение для любого значения относительной кривизны и угла θ. Более того, в случае свободной струи уравнение можно решить в аналитическом виде, получая распределение скорости вдоль круглой стенки. Распределение поверхностного давления затем вычисляется с использованием уравнения Бернулли. Обозначим давление (pa) и скорость (va) вдоль свободной линии тока при окружающем давлении, а γ – угол вдоль стенки, который равен нулю в точке A и θ в точке B. Тогда скорость (v) определяется следующим образом:
Было установлено распределение поверхностного давления струи вокруг цилиндрической поверхности, используя те же значения относительной кривизны и тот же угол θ, что и для стеновой струи, показанной на изображении справа: его можно найти в ссылке (15) на странице 104, и оба изображения довольно похожи: эффект Коанды для свободной струи является инерционным, таким же, как эффект Коанды для стеновой струи. Однако экспериментального измерения соответствующего распределения поверхностного давления не известно. Эксперименты 1959 года, проведенные Бурк и Ньюманом, касались повторного прикрепления двухмерной турбулентной струи к смещенной параллельной пластине после образования пузыря отрыва, в котором заключен вихрь низкого давления (как показано на рисунке 5 в предыдущем разделе), а также для двухмерной струи, за которой следует одна плоская пластина, наклоненная под углом, вместо круглой изогнутой стенки на диаграмме справа, описывающей опыт со стеновой струей: струя отделяется от пластины, затем изгибается к пластине, когда окружающая жидкость увлекается и давление понижается, и в конечном итоге снова прикрепляется к ней, образуя пузырь отрыва. Струя остается свободной, если угол превышает 62°. В последнем случае, который соответствует 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 областях применения. Распределение поверхностного давления, а также расстояние повторного прикрепления были должным образом измерены в обоих случаях, и были разработаны две приближенные теории для среднего давления внутри пузыря отрыва, положения повторного прикрепления и увеличения объемного расхода из отверстия: соответствие с экспериментом было удовлетворительным.
Кондиционер
В системах кондиционирования эффект Коанды используется для увеличения дальности распространения потока воздуха от потолочного диффузора. Благодаря тому, что эффект Коанды заставляет выходящий из диффузора воздух "прилипать" к потолку, он проходит большее расстояние до падения при той же скорости выброса, чем если бы диффузор был установлен в открытом пространстве, без прилегающего потолка. Более низкая скорость выброса означает меньший уровень шума, а в системах кондиционирования с переменным расходом воздуха (VAV) позволяет достичь более высоких коэффициентов регулирования. Линейные диффузоры и щелевые диффузоры, имеющие большую площадь контакта с потолком, демонстрируют более выраженный эффект Коанды.
Здравоохранение
В кардиологии эффект Коанды объясняет разделение потоков крови в правом предсердии плода. Он также объясняет, почему эксцентрические струи митральной регургитации притягиваются и распространяются вдоль прилегающих стенок левого предсердия (так называемые "струи, прилегающие к стенке", как видно при эхокардиографии с цветовым допплеровским картированием). Это клинически значимо, поскольку визуальная площадь (и, следовательно, степень) этих эксцентрических струй, прилегающих к стенке, часто недооценивается по сравнению с более заметными центральными струями. В таких случаях для количественной оценки тяжести митральной регургитации предпочтительнее использовать объемные методы, такие как метод площади изовелоцитной поверхности (PISA). В медицине эффект Коанды применяется в аппаратах искусственной вентиляции легких.
Метеорология
В метеорологии теория эффекта Коанды также применяется к некоторым воздушным потокам, выходящим из горных массивов, таких как Карпаты и Трансильванские Альпы, где наблюдается влияние на сельское хозяйство и растительность. Похоже, что этот эффект проявляется также в долине Роны во Франции и в районе Большой Дельты на Аляске.
Автогонки
В гонках Формулы-1 эффект Коанды был использован командами McLaren, Sauber, Ferrari и Lotus после его первого применения Адрианом Ньюи (Red Bull Team) в 2011 году для перенаправления выхлопных газов через задний диффузор с целью увеличения прижимной силы задней части автомобиля.
Демонстрация
Эффект Коанды можно продемонстрировать, направив небольшую струю воздуха вверх под углом над шариком для пинг-понга. Струя притягивается к верхней поверхности шарика и следует за ней, из-за (радиального) ускорения (замедления и поворота) воздуха вокруг шарика. При достаточном потоке воздуха это изменение импульса уравновешивается равной и противоположной силой, действующей на шарик и поддерживающей его вес. Это можно продемонстрировать, используя фен на самой низкой мощности или пылесос, если к выходному отверстию можно присоединить трубу и направить ее вверх под углом. Распространенное заблуждение заключается в том, что эффект Коанды проявляется, когда поток водопроводной воды обтекает заднюю часть ложки, слегка удерживаемой в потоке, и ложка втягивается в поток (например, для объяснения отклонения воды вокруг цилиндра используется эффект Коанды). Хотя поток выглядит очень похоже на поток воздуха над шариком для пинг-понга (если бы можно было увидеть воздушный поток), причина здесь не в эффекте Коанды. Поскольку это поток воды в воздух, окружающая жидкость (воздух) слабо увлекается в струю (поток воды). В этой демонстрации доминирует поверхностное натяжение. (утверждает, что отклонение воды "фактически демонстрирует молекулярное притяжение и поверхностное натяжение".) Другая демонстрация заключается в направлении воздушного потока, например, из пылесоса, работающего в режиме выдува, тангенциально вдоль круглого цилиндра. Хорошо подходит мусорное ведро. Поток воздуха, кажется, "огибает" цилиндр и может быть обнаружен на расстоянии более 180° от направления входящего потока. При определенных условиях – скорости потока, весе цилиндра, гладкости поверхности, на которой он стоит – цилиндр действительно сдвигается с места. Обратите внимание, что цилиндр не перемещается непосредственно в поток, как предсказывает ошибочное применение эффекта Бернулли, а по диагонали. Эффект Коанды также можно продемонстрировать, поместив банку перед зажженной свечой так, чтобы, глядя вдоль верхней части банки, пламя свечи было полностью скрыто за ней. Если затем подуть прямо на банку, свеча погаснет, несмотря на то, что банка находится "на пути". Это происходит потому, что воздушный поток, направленный на банку, изгибается вокруг нее и все же достигает свечи, чтобы ее погасить, в соответствии с эффектом Коанды.
Проблемы, вызванные
Инженерное использование эффекта Коанды имеет как недостатки, так и преимущества. В морском движении 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, при движении судна в воде) эффект Коанды изменяет направление струи винта, заставляя ее следовать контуру корпуса судна. Боковая сила от туннельного подруливающего устройства в носовой части судна быстро уменьшается с увеличением скорости движения вперед. Боковая тяга может полностью исчезнуть при скоростях, превышающих примерно 3 узла. Применение эффекта Коанды к симметричным соплам может вызывать резонансные явления.