Efekt Coandy - co to jest?

Spisu treści:

Efekt Coandy - co to jest?
Efekt Coandy - co to jest?
Anonim

Istnieje wiele zjawisk fizycznych i praw odkrytych przez człowieka całkiem przypadkowo. Począwszy od legendarnego jabłka, które spadło na głowę Izaaka Newtona i spokojnie kąpiącego się Archimedesa, po najnowsze odkrycia w dziedzinie tworzenia nowych materiałów i biochemii. Efekt Coandy należy do tej samej serii odkryć. Co dziwne, ale jego praktyczne zastosowanie w technologii jest wciąż na początkowym etapie. Czym więc jest efekt Coandy?

portret koandy
portret koandy

Historia odkryć

Rumuński inżynier Henri Coanda, podczas testowania swojego eksperymentalnego samolotu, wyposażonego w silnik odrzutowy, ale posiadającego drewnianą karoserię, aby zapobiec zapłonowi ciała przez strumień odrzutowy, zainstalował ochronne metalowe płyty po bokach samolotu. silniki. Jednak efekt tego okazał się odwrotny do oczekiwanego. Wygasające odrzutowce, z nieznanych przyczyn, zaczęły być przyciągane do tych płyt ochronnych, a drewniane konstrukcje płatowca znajdujące się w obszarze ich umieszczenia mogły się zapalić. Testy zakończyły się wypadkiem, ale nie zrobił tego sam wynalazcaCierpiał. Wszystko to wydarzyło się na samym początku XX wieku.

zmieniony schemat
zmieniony schemat

Weryfikacja eksperymentalna

Efekt Coandy to zjawisko, które możesz przetestować w zaciszu swojej kuchni. Jeśli odkręcisz wodę w kranie i przyniesiesz płaską płytkę do strumienia wody, możesz zobaczyć ten efekt na własne oczy. Woda ledwo zauważalnie odchyli się w kierunku talerza. Jednocześnie natężenie przepływu wody może nie być bardzo wysokie. W zasadzie zjawisko to obserwuje się w dowolnym medium: wodzie lub powietrzu. Najważniejsza jest obecność średniego przepływu i obecność powierzchni przylegającej do tego przepływu z jednej strony.

Nawiasem mówiąc, to zjawisko ma inną nazwę - efekt czajnika. To dzięki temu efektowi, gdy czajnik jest przechylony, woda z niego nie wpada do kubka, ale spływa dziobkiem, zalewając obrus, a czasem kolana innych. Ponieważ prawa hydrodynamiki i aerodynamiki jako całość, z kilkoma wyjątkami, są praktycznie identyczne, aby się nie powtarzały, w przyszłości efekt Coandy będzie rozważany dla środowiska powietrza.

Latający spodek
Latający spodek

Fizyka zjawiska

Efekt Coandy opiera się na wynikowej różnicy ciśnień w przepływie w obecności ściany ograniczającej ten przepływ, uniemożliwiającej swobodny dostęp powietrza z jednej strony. Każdy przepływ powietrza składa się z warstw o różnych prędkościach. Jednocześnie udowodniono eksperymentalnie, że siła tarcia pomiędzy warstwą powietrza a przylegającą powierzchnią stałą jest mniejsza niż pomiędzy poszczególnymi warstwami powietrza. Zatem okazuje się, że prędkość warstwy powietrza przechodzącej blisko powierzchni wynosipowyżej prędkości warstwy powietrza odległej od tej powierzchni.

Ponadto, przy wystarczająco dużej odległości, prędkość jednej z warstw powietrza względem powierzchni będzie generalnie równa zeru. Okazuje się niejednorodne pole prędkości na wysokości przepływu. Zgodnie z prawami dynamiki gazu powstaje tu poprzeczna różnica ciśnień, która odchyla przepływ w kierunku niższego ciśnienia, czyli tam, gdzie prędkość warstwy powietrza jest większa - w kierunku ściany ograniczającej. Dobierając kształt dyszy i powierzchni, eksperymentując z odległościami i prędkością można zmieniać kierunek przepływu w dość szerokim zakresie.

płyta przekrojowa
płyta przekrojowa

Matematyka

Przez bardzo długi czas opisane zjawisko nie było w ogóle rozpoznawane, pomimo jego oczywistości i względnej łatwości weryfikacji eksperymentalnej. Wtedy pojawiła się potrzeba obliczeń teoretycznych siły i wektora tej siły, czyli obliczenia efektu Coandy. Takie obliczenia zostały wykonane dla różnych typów odrzutowców.

Wyprowadzone wzory są dość nieporęczne i stanowią połączenie rachunku różniczkowego z trygonometrią. Ale te złożone i wieloetapowe obliczenia mogą dać tylko przybliżony wynik. Oczywiście wszystko to nie jest obliczane na papierze, ale za pomocą nowoczesnych algorytmów wbudowanych w komputery. Jednak rzeczywiste wartości można uzyskać tylko eksperymentalnie. Na ten efekt wpływa zbyt wiele czynników i nie wszystkie można opisać za pomocą wzorów matematycznych.

parasol Coanda
parasol Coanda

Od czego zależy to zjawisko

Pomijając skomplikowaną analizę wzorów, która wymaga niezwykłej umiejętności, siła efektu Coandy zależy od prędkości przepływu, stosunku średnicy przepływu i krzywizny ściany. Eksperymenty wykazały, że duże znaczenie ma położenie i średnica dyszy, chropowatość powierzchni ściany, odległość między przepływem a ograniczającą go ścianą, a także kształt samej ściany. Należy również zauważyć, że efekt Coandy jest bardziej wyraźny w przepływie turbulentnym.

tłumaczenie napisów na zdjęciu
tłumaczenie napisów na zdjęciu

Co jeszcze wymyślił odkrywca

Po odkryciu zjawiska A. Coanda zaczął go rozwijać i szukać praktycznych zastosowań. Efektem jego wysiłków był patent na wynalazek latającego parasola. Jeżeli na środku półkuli zamontowane są dysze, podobnie jak parasol, wyrzucające strumień gazów, to zgodnie z efektem Coandy strumień ten będzie dociskany do powierzchni półkuli i spływa w dół, tworząc obszar niskiego nacisk nad parasolem, podnosząc go. Sam wynalazca nazwał je skrzydłem samolotu, zwiniętym w pierścień.

pl z wydaną mechanizacją
pl z wydaną mechanizacją

Próby wprowadzenia tego wynalazku w życie nie powiodły się. Powodem jest niestabilność aparatu w powietrzu. Jednak ostatnie postępy w dziedzinie inteligentnego sterowania niestabilnymi konstrukcjami w powietrzu, tzw. zasada Fly by Wire, dają nadzieję na pojawienie się tego egzotycznego samolotu.

Co zostało osiągnięte

Chociaż nie było możliwe podniesienie parasola wynalazcy w powietrze, efekt Coandy wlotnictwo jest wykorzystywane, ale relatywnie w obszarach drugorzędnych. Z najwybitniejszych przykładów można wymienić opracowany w latach 40. śmigłowiec bez śmigła ogonowego, którego funkcje kompensujące obrót śmigła głównego pełnił wentylator zamontowany z tyłu oraz dysze ze specjalnymi prowadnicami. Ten sam system umożliwił sterowanie helikopterem w zboczu i pochyleniu. Zostało to zastosowane w MD 520N, MD 600N i MD Explorer.

W samolotach efekt Coandy to przede wszystkim zwiększenie siły nośnej poprzez dodatkowy przepływ powietrza z silnika na górną powierzchnię skrzydła, co daje maksymalny efekt po zwolnieniu mechanizacji, czyli gdy skrzydło ma najbardziej „wypukły” profil, dzięki czemu przepływ spływa prawie pionowo w dół. Zostało to wdrożone w radzieckich samolotach An-72, An-74 i An-70. Wszystkie te maszyny mają ulepszoną charakterystykę startu i lądowania, umożliwiając wykorzystanie krótkich pasów startu i lądowania.

Z amerykańskiej technologii możemy nazwać „Boeinga C-7”, używając tej samej zasady, a także szereg maszyn eksperymentalnych. W okresie powojennym podejmowano wiele prób stworzenia samolotu opartego na zasadach efektu Coandy. Wszystkie miały kształt latającego spodka i wszystkie po pewnym czasie zostały zamknięte z powodu trudności technicznych. Niewykluczone, że prace te są obecnie prowadzone w ściśle strzeżonej formie.

Formuła 1 przepływ ruchu
Formuła 1 przepływ ruchu

Z nieba na ziemię i pod wodę

Aby zwiększyć przyczepność kół do toru, zaczęto stosować efekt Coandyoraz w projektach samochodów Formuły 1. Maszyny wyposażone są w dyfuzory i owiewki, do których dociskany jest strumień spalin, zapewniając pożądany efekt. Na powyższym zdjęciu widać ruch spalin przyklejających się do konturów, mimo że sama rura wydechowa jest skierowana do góry.

Oprócz transportu lądowego były i są prowadzone prace eksperymentalne związane z wykorzystaniem tego zjawiska na okrętach podwodnych. W szczególności w Petersburgu powstał dość egzotyczny rower podwodny, z jakiegoś powodu nazywany po angielsku - Blue Space, tłumaczony jako „niebieska przestrzeń”. Do poruszania się używa efektu Coandy. Przed „rowerem podwodnym” montowane są owiewki, w których zamontowane są rolki wioślarskie, zasysające wodę przez specjalne szczeliny. Woda jest następnie wypychana na powierzchnię korpusu maszyny, powodując napór na jej powierzchnię. Woda opływa cały kadłub, jest zasysana z powrotem do szczeliny w rufie i wypychana.

Zalecana: