Efecto coanda
El efecto Coandă (o) es la tendencia de un chorro de fluido a permanecer adherido a una superficie convexa. Merriam-Webster lo describe como "la tendencia de un chorro de fluido que sale de un orificio a seguir una superficie plana o curva adyacente y arrastrar fluido de los alrededores de modo que una región de menor presión se desarrolla."
Lleva el nombre del inventor rumano Henri Coandă, quien fue el primero en reconocer la aplicación práctica del fenómeno en el diseño de aeronaves alrededor de 1910. Primero se documentó explícitamente en dos patentes emitidas en 1936.
Descubrimiento
Thomas Young proporcionó una descripción temprana de este fenómeno en una conferencia dada a The Royal Society en 1800:
La presión lateral que insta a la llama de una vela hacia la corriente de aire de una soplona es probablemente exactamente similar a esa presión que facilita la inflexión de una corriente de aire cerca de un obstáculo. Marque el conducto que un flujo del aire delgado hace en la superficie del agua. Llevar un cuerpo convexo en contacto con el lado de la corriente y el lugar de la muestra inmediatamente se desvía la corriente hacia el cuerpo; y si el cuerpo está en libertad para moverse en cada dirección será impulsado hacia la corriente...
Cien años después, Henri Coandă identificó una aplicación del efecto durante los experimentos con su avión Coandă-1910, que montaba un motor inusual que él diseñó. La turbina impulsada por motor empujó el aire caliente hacia atrás y Coandă notó que el flujo de aire era atraído hacia las superficies cercanas. En 1934, Coandă obtuvo una patente en Francia para un "método y aparato para la desviación de un fluido a otro fluido". El efecto se describió como la "desviación de un chorro simple de un fluido que penetra en otro fluido en la vecindad de una pared convexa". Los primeros documentos oficiales que mencionan explícitamente el efecto Coandă fueron dos patentes de 1936 de Henri Coandă. Este nombre fue aceptado por el destacado aerodinámico Theodore von Kármán, quien tenía una larga relación científica con Coandă sobre problemas de aerodinámica.
Mecanismo
Un chorro de aire libre arrastra moléculas de aire de su entorno inmediato, lo que provoca un "tubo" asimétrico; o "manga" de baja presión alrededor del chorro (ver Diagrama 1). Las fuerzas resultantes de este tubo de baja presión terminan equilibrando cualquier inestabilidad de flujo perpendicular, lo que estabiliza el chorro en línea recta. Sin embargo, si se coloca una superficie sólida cerca y aproximadamente paralela al chorro (Diagrama 2), entonces el arrastre (y por lo tanto la eliminación) de aire entre la superficie sólida y el chorro provoca una reducción en la presión del aire en ese lado del chorro. jet que no se puede equilibrar tan rápidamente como la región de baja presión en el "abierto" lado del chorro. La diferencia de presión a través del chorro hace que el chorro se desvíe hacia la superficie cercana y luego se adhiera a ella (Diagrama 3). El chorro se adhiere aún mejor a las superficies curvas (Diagrama 4), porque cada cambio incremental (infinitesimalmente pequeño) en la dirección de la superficie produce los efectos descritos para la flexión inicial del chorro hacia la superficie. Si la superficie no está demasiado curvada, el chorro puede, en las circunstancias adecuadas, adherirse a la superficie incluso después de fluir 180° alrededor de una superficie cilíndricamente curvada y, por lo tanto, viajar en una dirección opuesta a su dirección inicial. Las fuerzas que provocan estos cambios en la dirección del flujo del chorro provocan una fuerza igual y opuesta en la superficie por la que fluye el chorro. Estas fuerzas inducidas por el efecto Coandă pueden aprovecharse para provocar sustentación y otras formas de movimiento, según la orientación del chorro y la superficie a la que se adhiere. Una pequeña superficie "labio" en el punto donde el chorro comienza a fluir sobre esa superficie (Diagrama 5) aumenta la desviación inicial de la dirección del flujo del chorro. Esto resulta del hecho de que se forma un vórtice de baja presión detrás del labio, promoviendo el buzamiento hacia la superficie.
El efecto Coandă se puede inducir en cualquier fluido y, por lo tanto, es igualmente efectivo en el agua y el aire. Un perfil aerodinámico calentado reduce significativamente la resistencia.
Condiciones de existencia
Las primeras fuentes brindan la información teórica y experimental necesaria para derivar una explicación detallada del efecto. El efecto Coandă puede ocurrir a lo largo de una pared curva ya sea en un free- o wall-jet.
En la imagen de la izquierda de la sección anterior: "El mecanismo del efecto Coandă", el efecto como se describe, en los términos de T. Young como "la presión lateral que facilita la inflexión de una corriente de aire cerca de un obstáculo", representa un chorro libre que emerge de un orificio y un obstáculo en los alrededores. Incluye la tendencia de un chorro libre que emerge de un orificio a arrastrar fluido del entorno confinado con acceso limitado, sin desarrollar ninguna región de menor presión cuando no hay obstáculo en el entorno, como es el caso en el lado opuesto donde la mezcla turbulenta ocurre a presión ambiental.
En la imagen de la derecha, el efecto se produce a lo largo de la pared curva como un chorro de pared. La imagen aquí a la derecha representa un chorro de pared bidimensional entre dos paredes planas paralelas, donde el "obstáculo" es una parte cilíndrica de un cuarto que sigue al orificio rectangular horizontal plano, de modo que ningún fluido es arrastrado desde los alrededores a lo largo de la pared, sino solo en el lado opuesto en mezcla turbulenta con el aire ambiente.
Chorro de pared
Para comparar el experimento con un modelo teórico, un chorro de pared plana bidimensional de ancho (h) a lo largo de una pared circular de radio (r). Un chorro de pared sigue una pared horizontal plana, digamos de radio infinito, o más bien cuyo radio es el radio de la Tierra sin separación porque la presión superficial así como la presión externa en la zona de mezcla es en todas partes igual a la presión atmosférica y el límite capa no se separa de la pared.
Con un radio mucho más pequeño (12 centímetros en la imagen de la derecha), surge una diferencia transversal entre las presiones externas y de la superficie de la pared del chorro, creando un gradiente de presión que depende de h/r, la curvatura relativa. Este gradiente de presión puede aparecer en una zona antes y después del origen del chorro de donde surge gradualmente, y desaparecer en el punto donde la capa límite del chorro se separa de la pared, donde la presión de la pared alcanza la presión atmosférica (y el gradiente transversal se vuelve cero).
Experimentos realizados en 1956 con chorros de aire turbulento en un número de Reynolds de 106 en varios anchos de chorro (h ) muestran las presiones medidas a lo largo de un radio de pared curvado circularmente (r) en una serie de distancias horizontales desde el origen del jet (ver el diagrama a la derecha).
Por encima de un h/r relación de 0,5 solo efectos locales en el origen del chorro se ven extendiéndose sobre un pequeño ángulo de 18° a lo largo de la pared curva. El chorro se separa inmediatamente de la pared curva. Por lo tanto, aquí no se ve un efecto Coandă, sino solo una unión local: una presión menor que la presión atmosférica aparece en la pared a lo largo de una distancia correspondiente a un pequeño ángulo de 9°, seguido de un ángulo igual de 9° donde esta presión aumenta hasta presión atmosférica en la separación de la capa límite, sujeta a este gradiente longitudinal positivo. Sin embargo, si h/r relación es menor que el valor crítico de 0,5, el menor que la presión ambiental medida en la pared vista en el origen del chorro continúa a lo largo de la pared (hasta que la pared termina; ver diagrama a la derecha). Este es "un verdadero efecto Coandă" a medida que el chorro se adhiere a la pared "a una presión casi constante" como en un chorro de pared convencional.
Un cálculo realizado por Woods en 1954 de un flujo no viscoso a lo largo de una pared circular muestra que existe una solución no viscosa con cualquier curvatura h/r y cualquier ángulo de deflexión dado hasta un punto de separación en la pared, donde aparece un punto singular con una pendiente infinita de la curva de presión superficial.
Introducir en el cálculo el ángulo de separación encontrado en los experimentos anteriores para cada valor de la curvatura relativa h/r , la imagen aquí se obtuvo recientemente y muestra los efectos de inercia representados por la solución no viscosa: el campo de presión calculado es similar al experimental descrito anteriormente, fuera de la boquilla. La curvatura del flujo es causada exclusivamente por el gradiente de presión transversal, como lo describe T. Young. Entonces, la viscosidad solo produce una capa límite a lo largo de la pared y una mezcla turbulenta con el aire ambiente como en un chorro de pared convencional, excepto que esta capa límite se separa bajo la acción de la diferencia entre la presión ambiental final y una presión superficial más pequeña a lo largo de la pared. Según Van Dyke, citado en Lift, la derivación de su ecuación (4c) también muestra que la contribución de la tensión viscosa al giro del flujo es insignificante.
Una forma alternativa sería calcular el ángulo de desviación en el que se separa la capa límite sujeta al campo de presión no viscoso. Se ha intentado un cálculo aproximado que proporciona el ángulo de separación en función de h/r y el número de Reynolds: los resultados se informan en la imagen, por ejemplo, 54° calculados en lugar de 60° medidos para h/r = 0,25. Serían deseables más experimentos y un cálculo más preciso de la capa límite.
Otros experimentos realizados en 2004 con un chorro de pared a lo largo de una pared circular muestran que el efecto Coandă no ocurre en un flujo laminar, y el crítico h/r Las proporciones para números de Reynolds pequeños son mucho más pequeñas que las del flujo turbulento. hasta h/r = 0,14 con un número de Reynolds de 500 y h/ r = 0,05 para un número de Reynolds de 100.
Jet libre
L. C. Woods también hizo el cálculo del flujo bidimensional no viscoso de un chorro libre de ancho h, desviado alrededor de una superficie cilíndrica circular de radio r, entre un primer contacto A y la separación en B, incluido un ángulo de desviación θ. Una vez más, existe una solución para cualquier valor de la curvatura relativa h/r y ángulo θ. Además, en el caso de un chorro libre, la ecuación se puede resolver en forma cerrada, dando la distribución de velocidad a lo largo de la pared circular. A continuación, se calcula la distribución de la presión superficial utilizando la ecuación de Bernoulli. Notemos la presión (pa) y la velocidad ( va) a lo largo de la línea de corriente libre a la presión ambiental, y γ el ángulo a lo largo de la pared que es cero en A y θ en B. Luego la velocidad (v) es:
- vva=exp ()2hπ π rarctan pecado2 ()π π Silencio Silencio r4h)− − cosh2 ()π π Silencio Silencio r4h)Tanh2 ()π π γ γ r4h)){fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif}
Una imagen de la distribución de la presión superficial del chorro alrededor de la superficie cilíndrica usando los mismos valores de la curvatura relativa h/r, y el mismo ángulo θ que los encontrados para el chorro de pared que se muestra en la imagen en el lado derecho aquí se ha establecido: se puede encontrar en la referencia (15) p. 104 y ambas imágenes son bastante similares: el efecto Coandă de un chorro libre es inercial, lo mismo que el efecto Coandă de un chorro de pared. Sin embargo, no se conoce una medida experimental de la distribución de presión superficial correspondiente.
Experimentos de 1959 de Bourque y Newmann sobre la unión de un chorro turbulento bidimensional a una placa paralela desplazada después de encerrar una burbuja de separación donde se confina un vórtice de baja presión (como en la imagen 5 de la sección anterior) y también para un chorro bidimensional seguido de una sola placa plana inclinada en ángulo en lugar de la pared curvada circularmente en el diagrama de la derecha que describe la experiencia de un chorro de pared: el chorro se separa de la placa, luego se curva hacia la placa cuando el fluido circundante es arrastrado y la presión baja, y finalmente se vuelve a unir a él, encerrando una burbuja de separación. El chorro permanece libre si el ángulo es mayor de 62°.
En este último caso, que es la geometría propuesta por Coandă, la afirmación del inventor es que la cantidad de fluido arrastrado por el chorro desde los alrededores aumenta cuando el chorro se desvía, una característica que se aprovecha para mejorar la limpieza de motores de combustión, y para aumentar el coeficiente de sustentación máxima de un ala, como se indica en las aplicaciones a continuación.
La distribución de la presión superficial, así como la distancia de reinserción, se han medido debidamente en ambos casos, y se han desarrollado dos teorías aproximadas para la presión media dentro de la burbuja de separación, la posición de reinserción y el aumento del caudal volumétrico del orificio.: la concordancia con el experimento fue satisfactoria.
Aplicaciones
Aviones
El efecto Coandă tiene aplicaciones en varios dispositivos de gran sustentación en aeronaves, donde el aire que se mueve sobre el ala puede "doblarse hacia abajo" hacia el suelo utilizando flaps y una lámina de propulsión que sopla sobre la superficie curva de la parte superior del ala. La flexión del flujo da como resultado una sustentación aerodinámica. El flujo de un motor a reacción de alta velocidad montado en una cápsula sobre el ala produce una mayor sustentación al aumentar drásticamente el gradiente de velocidad en el flujo de corte en la capa límite. En este gradiente de velocidad, las partículas se alejan de la superficie, lo que reduce la presión allí. Siguiendo de cerca el trabajo de Coandă sobre las aplicaciones de su investigación, y en particular el trabajo sobre su "Aerodina Lenticulară," John Frost de Avro Canada también dedicó un tiempo considerable a investigar el efecto, lo que llevó a una serie de 'al revés'. aeronave similar a un aerodeslizador de la que el aire salía en un anillo alrededor del exterior de la aeronave y se dirigía al estar "adjunto" a un anillo en forma de colgajo.
Esto es, a diferencia de un diseño de aerodeslizador tradicional, en el que el aire se sopla en un área central, el plenum, y se dirige hacia abajo con el uso de una "falda" de tela. 34;. Solo se construyó uno de los diseños de Frost, el Avro Canada VZ-9 Avrocar.
El Avrocar (a menudo mencionado como 'VZ-9') fue un avión canadiense de despegue y aterrizaje vertical (VTOL) desarrollado por Avro Aircraft Ltd. como parte de un proyecto militar secreto de los Estados Unidos llevado a cabo en el primeros años de la Guerra Fría. El Avrocar tenía la intención de explotar el efecto Coandă para proporcionar sustentación y empuje desde un solo "turborotor" soplando el escape por el borde de la aeronave en forma de disco para proporcionar un rendimiento similar al VTOL anticipado. En el aire, se habría parecido a un platillo volador. Se construyeron dos prototipos como "prueba de concepto" vehículos de prueba para un caza más avanzado de la Fuerza Aérea de EE. UU. y también para un requisito de avión de combate táctico del Ejército de EE. UU.
El Proyecto 1794 de Avro de 1956 para el ejército de los EE. UU. diseñó un platillo volador a mayor escala basado en el efecto Coandă y tenía la intención de alcanzar velocidades entre Mach 3 y Mach 4. Los documentos del proyecto permanecieron clasificados hasta 2012.
El efecto también se implementó durante el proyecto de Transporte STOL Medio Avanzado (AMST) de la Fuerza Aérea de EE. UU. Para aproveche este efecto montando turboventiladores en la parte superior de las alas para proporcionar aire a alta velocidad incluso a bajas velocidades de vuelo, pero hasta la fecha solo un avión ha entrado en producción utilizando este sistema en gran medida, el Antonov An-72. "Coaler." El hidroavión Shin Meiwa US-1A utiliza un sistema similar, solo que dirige la propulsión de sus cuatro motores turbohélice sobre la parte superior del ala para generar sustentación a baja velocidad. Más singularmente, incorpora un quinto motor turboeje dentro de la sección central del ala únicamente para proporcionar aire para potentes flaps soplados. La adición de estos dos sistemas le da a la aeronave una impresionante capacidad STOL.
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El McDonnell Douglas YC-15 experimental y su derivado de producción, el Boeing C-17 Globemaster III, también emplean el efecto. El helicóptero NOTAR reemplaza el rotor de cola de hélice convencional con una cola de efecto Coandă (diagrama a la izquierda).
La literatura científica producida por el proyecto ACHEON EU FP7 proporcionó una mejor comprensión del efecto Coandă. Este proyecto utilizó una boquilla simétrica particular para producir un modelo efectivo del efecto Coandă y determinó configuraciones innovadoras de aeronaves STOL basadas en el efecto. Esta actividad ha sido ampliada por Dragan en el sector de turbomaquinaria, con el objetivo de optimizar mejor la forma de las palas giratorias por el trabajo del Centro de Investigación Rumano Comoti sobre turbomaquinaria.
Un uso práctico del efecto Coandă es para pantallas hidroeléctricas inclinadas, que separan desechos, peces, etc., de lo contrario en el flujo de entrada a las turbinas. Debido a la pendiente, los escombros caen de las pantallas sin limpieza mecánica, y debido a que los alambres de la pantalla optimizan el efecto Coandă, el agua fluye a través de la pantalla hacia las compuertas que conducen el agua a las turbinas.
El efecto Coandă se utiliza en dispensadores de líquido de doble patrón en los lavaparabrisas de automóviles.
El principio de funcionamiento de los caudalímetros oscilatorios también se basa en el fenómeno de Coandă. El líquido entrante entra en una cámara que contiene dos "islas". Debido al efecto Coandă, la corriente principal se divide y pasa por debajo de una de las islas. Este flujo luego se retroalimenta a la corriente principal haciéndola dividirse nuevamente, pero en dirección a la segunda isla. Este proceso se repite mientras el líquido circula por la cámara, lo que da como resultado una oscilación autoinducida que es directamente proporcional a la velocidad del líquido y, en consecuencia, al volumen de sustancia que fluye a través del medidor. Un sensor capta la frecuencia de esta oscilación y la transforma en una señal analógica que produce el volumen que pasa.
Aire acondicionado
En aire acondicionado, el efecto Coandă se aprovecha para aumentar el alcance de un difusor montado en el techo. Debido a que el efecto Coandă hace que el aire descargado del difusor se "pegue" hacia el techo, viaja más lejos antes de caer a la misma velocidad de descarga que si el difusor estuviera montado al aire libre, sin el techo vecino. Una velocidad de descarga más baja significa niveles de ruido más bajos y, en el caso de sistemas de aire acondicionado de volumen de aire variable (VAV), permite relaciones de reducción más altas. Los difusores lineales y los difusores lineales que presentan una mayor longitud de contacto con el techo presentan un mayor efecto Coandă.
Cuidado de la salud
En la medicina cardiovascular, el efecto Coandă explica las corrientes de sangre separadas en la aurícula derecha del feto. También explica por qué los chorros excéntricos de regurgitación mitral son atraídos y dispersados a lo largo de las superficies adyacentes de la pared de la aurícula izquierda (los llamados "chorros que abrazan la pared" como se ve en el interrogatorio ecocardiográfico con doppler color). Esto es clínicamente relevante porque el área visual (y, por lo tanto, la gravedad) de estos chorros excéntricos que se abrazan a la pared a menudo se subestima en comparación con los chorros centrales más evidentes. En estos casos, se prefieren métodos volumétricos como el método del área superficial de isovelocidad proximal (PISA) para cuantificar la gravedad de la insuficiencia mitral.
En medicina, el efecto Coandă se usa en ventiladores.
Meteorología
En meteorología, la teoría del efecto Coandă también se ha aplicado a algunas corrientes de aire que fluyen desde cadenas montañosas como los Cárpatos y los Alpes de Transilvania, donde se han observado efectos en la agricultura y la vegetación. También parece ser un efecto en el Valle del Ródano en Francia y cerca del Gran Delta en Alaska.
Carreras de autos
En las carreras automovilísticas de Fórmula Uno, los equipos McLaren, Sauber, Ferrari y Lotus han explotado el efecto Coandă, después de que Adrian Newey (equipo Red Bull) lo introdujera por primera vez en 2011, para ayudar a redirigir los gases de escape para que pasen por el difusor trasero con la intención de aumentar la carga aerodinámica en la parte trasera del automóvil. Debido a los cambios en las regulaciones establecidas por la FIA desde el comienzo de la temporada de Fórmula Uno 2014, la intención de redirigir los gases de escape para usar el efecto Coandă se ha negado, debido al requisito obligatorio de que el escape del automóvil no tenga una carrocería destinada a contribuir al efecto aerodinámico situado directamente detrás de él.
Fluídica
En fluídica, el efecto Coandă se usó para construir multivibradores biestables, donde la corriente de trabajo (aire comprimido) se pegaba a una pared curva u otra y los haces de control podían cambiar la corriente entre las paredes.
Mezclador
El efecto Coandă también se usa para mezclar dos fluidos diferentes en una batidora.
Demostración
El efecto Coandă se puede demostrar dirigiendo un pequeño chorro de aire hacia arriba en ángulo sobre una pelota de ping pong. El chorro es atraído y sigue la superficie superior de la bola curvándose a su alrededor, debido a la aceleración (radial) (desaceleración y giro) del aire alrededor de la bola. Con suficiente flujo de aire, este cambio en el impulso se equilibra con la fuerza igual y opuesta sobre la bola que soporta su peso. Esta demostración se puede realizar usando un secador de pelo en la configuración más baja o una aspiradora si la salida se puede conectar a la tubería y apuntar hacia arriba en ángulo.
Un concepto erróneo común es que el efecto Coandă se demuestra cuando un chorro de agua del grifo fluye sobre el dorso de una cuchara sostenida ligeramente en el chorro y la cuchara se tira hacia el chorro (por ejemplo, Massey 1979, Fig. 3.12 usa el efecto Coandă para explicar la desviación del agua alrededor de un cilindro). Si bien el flujo se ve muy similar al flujo de aire sobre la pelota de ping pong de arriba (si uno pudiera ver el flujo de aire), la causa no es realmente el efecto Coandă. Aquí, debido a que es un flujo de agua hacia el aire, hay poco arrastre del fluido circundante (el aire) hacia el chorro (la corriente de agua). Esta demostración particular está dominada por la tensión superficial. (McLean 2012, Figura 7.3.6 establece que la desviación del agua "en realidad demuestra atracción molecular y tensión superficial".)
Otra demostración es dirigir el flujo de aire desde, por ejemplo, una aspiradora que opera en reversa, tangencialmente más allá de un cilindro redondo. Una papelera funciona bien. El flujo de aire parece "envolverse" el cilindro y se puede detectar a más de 180° del flujo entrante. En las condiciones adecuadas, el caudal, el peso del cilindro, la suavidad de la superficie sobre la que se asienta, el cilindro realmente se mueve. Tenga en cuenta que el cilindro no se mueve directamente hacia el flujo como lo predeciría una aplicación incorrecta del efecto Bernoulli, sino en diagonal.
El efecto Coandă también se puede demostrar colocando una lata frente a una vela encendida, de modo que cuando la línea de visión sea a lo largo de la parte superior de la lata, la llama de la vela quede completamente oculta detrás de ella.. Si luego se sopla directamente en la lata, la vela se apagará a pesar de que la lata está "en medio". Esto se debe a que el flujo de aire dirigido a la lata se dobla alrededor de ella y alcanza la vela para apagarla, de acuerdo con el efecto Coandă.
Problemas causados
El uso de ingeniería del efecto Coandă tiene tanto ventajas como desventajas.
En la propulsión marina, la eficiencia de una hélice o propulsor puede verse gravemente reducida por el efecto Coandă. La fuerza sobre el buque generada por una hélice es una función de la velocidad, el volumen y la dirección del chorro de agua que sale de la hélice. Bajo ciertas condiciones (por ejemplo, cuando un barco se mueve a través del agua), el efecto Coandă cambia la dirección de un chorro de hélice, haciendo que siga la forma del casco del barco. La fuerza lateral de un propulsor de túnel en la proa de un barco disminuye rápidamente con la velocidad de avance. El empuje lateral puede desaparecer por completo a velocidades superiores a unos 3 nudos. Si el efecto Coandă se aplica a boquillas de forma simétrica, presenta problemas de resonancia.
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