Coanda-Effekt – was ist das?

Inhaltsverzeichnis:

Coanda-Effekt – was ist das?
Coanda-Effekt – was ist das?
Anonim

Es gibt viele physikalische Phänomene und Gesetze, die der Mensch ganz zufällig entdeckt hat. Angefangen von dem legendären Apfel, der auf den Kopf von Isaac Newton fiel, und Archimedes, der friedlich ein Bad nimmt, bis hin zu den neuesten Entdeckungen auf dem Gebiet der Schaffung neuer Materialien und der Biochemie. Der Coanda-Effekt gehört zur gleichen Reihe von Entdeckungen. Seltsamerweise steckt seine praktische Anwendung in der Technik aber noch in den Kinderschuhen. Also, was ist der Coanda-Effekt?

Porträt einer Coanda
Porträt einer Coanda

Discovery-Verlauf

Der rumänische Ingenieur Henri Coanda installierte beim Testen seines Versuchsflugzeugs, das mit einem Düsentriebwerk ausgestattet war, aber einen Holzkörper hatte, um eine Entzündung des Körpers durch einen Strahlstrom zu verhindern, Schutzmetallplatten an den Seiten des Motoren. Allerdings stellte sich heraus, dass die Wirkung genau das Gegenteil von dem war, was erwartet wurde. Die auslaufenden Jets wurden aus unbekannten Gründen von diesen Schutzplatten angezogen und die Holzkonstruktionen der Flugzeugzelle, die sich im Bereich ihrer Platzierung befanden, konnten sich entzünden. Die Tests endeten mit einem Unfall, der Erfinder selbst jedoch nichtgelitten. All dies geschah Anfang des 20. Jahrhunderts.

geändertes Schema
geändertes Schema

Experimentelle Überprüfung

Der Coanda-Effekt ist ein Phänomen, das Sie bequem von Ihrer Küche aus testen können. Wenn Sie den Wasserhahn öffnen und einen flachen Teller an den Wasserstrahl h alten, können Sie diesen Effekt mit eigenen Augen sehen. Das Wasser weicht kaum merklich in Richtung Platte ab. Gleichzeitig darf die Durchflussrate des Wassers nicht sehr hoch sein. Im Prinzip wird dieses Phänomen in jedem Medium beobachtet: Wasser oder Luft. Die Hauptsache ist das Vorhandensein einer mittleren Strömung und das Vorhandensein einer an diese Strömung angrenzenden Fläche auf einer Seite.

Dieses Phänomen hat übrigens einen anderen Namen - den Kesseleffekt. Diesem Effekt ist es zu verdanken, dass beim Kippen der Teekanne das Wasser nicht in die Tasse fällt, sondern den Ausguss hinunterfließt und die Tischdecke und manchmal auch die Knie anderer überflutet. Da die Gesetze der Hydrodynamik und der Aerodynamik insgesamt bis auf wenige Ausnahmen praktisch identisch sind, wird künftig der Coanda-Effekt für die Luftumgebung betrachtet.

Fliegende Untertasse
Fliegende Untertasse

Physik des Phänomens

Der Coanda-Effekt beruht auf dem entstehenden Druckunterschied in der Strömung bei Vorhandensein einer diese Strömung begrenzenden Wand, die den freien Luftzutritt von einer Seite verhindert. Jeder Luftstrom besteht aus Schichten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Gleichzeitig wurde experimentell nachgewiesen, dass die Reibungskraft zwischen der Luftschicht und der angrenzenden festen Oberfläche geringer ist als zwischen einzelnen Luftschichten. Somit ergibt sich die Geschwindigkeit der Luftschicht, die nahe an der Oberfläche vorbeiströmtüber der Geschwindigkeit der von dieser Oberfläche entfernten Luftschicht.

Außerdem wird bei ausreichend großem Abstand die Geschwindigkeit einer der Luftschichten relativ zur Oberfläche im Allgemeinen gleich Null sein. Es ergibt sich ein ungleichmäßiges Geschwindigkeitsfeld entlang der Fließhöhe. Gemäß den Gesetzen der Gasdynamik entsteht hier eine Querdruckdifferenz, die die Strömung zu niedrigerem Druck, also dorthin, wo die Geschwindigkeit der Luftschicht höher ist, hin zur Begrenzungswand ablenkt. Durch die Wahl der Form der Düse und der Oberfläche, das Experimentieren mit Entfernungen und Geschwindigkeiten ist es möglich, die Strömungsrichtung in einem ziemlich weiten Bereich zu ändern.

Cutaway-Platte
Cutaway-Platte

Mathe

Das beschriebene Phänomen wurde lange Zeit überhaupt nicht erkannt, trotz seiner Offensichtlichkeit und der relativ einfachen experimentellen Überprüfung. Dann bestand Bedarf an theoretischen Berechnungen der Kraft und des Vektors dieser Kraft, dh um den Coanda-Effekt zu berechnen. Solche Berechnungen wurden für verschiedene Düsentypen durchgeführt.

Die abgeleiteten Formeln sind recht umständlich und stellen eine Kombination aus Differentialrechnung und Trigonometrie dar. Diese komplexen und mehrstufigen Berechnungen können jedoch nur ein ungefähres Ergebnis liefern. All dies wird natürlich nicht auf dem Papier berechnet, sondern mithilfe moderner Algorithmen, die in Computer eingebettet sind. Wirkliche Werte lassen sich jedoch nur experimentell ermitteln. Zu viele Faktoren tragen zu diesem Effekt bei und nicht alle lassen sich mit mathematischen Formeln beschreiben.

Coanda-Regenschirm
Coanda-Regenschirm

Wovon hängt dieses Phänomen ab

Abgesehen von der aufwendigen Analyse der Formeln, die außerordentliches Geschick erfordert, hängt die Stärke des Coanda-Effekts von der Strömungsgeschwindigkeit, dem Verhältnis des Strömungsdurchmessers und der Krümmung der Wand ab. Versuche haben gezeigt, dass die Lage und der Durchmesser der Düse, die Rauhigkeit der Wandoberfläche, der Abstand zwischen der Strömung und der sie begrenzenden Wand sowie die Form der Wand selbst von großer Bedeutung sind. Es wird auch angemerkt, dass der Coanda-Effekt bei turbulenter Strömung stärker ausgeprägt ist.

Übersetzung der Inschriften auf dem Foto
Übersetzung der Inschriften auf dem Foto

Was hat sich der Entdecker sonst noch ausgedacht

Nach der Entdeckung des Phänomens begann A. Coanda, es zu entwickeln und nach praktischen Anwendungen zu suchen. Das Ergebnis seiner Bemühungen war ein Patent für die Erfindung eines fliegenden Regenschirms. Wenn in der Mitte der Halbkugel Düsen ähnlich einem Regenschirm installiert sind, die einen Gasstrom ausstoßen, wird dieser Strom gemäß dem Coanda-Effekt gegen die Oberfläche der Halbkugel gedrückt und fließt nach unten, wodurch ein Niedrigbereich entsteht Druck über dem Regenschirm und drückt ihn nach oben. Der Erfinder selbst nannte es den Flügel eines Flugzeugs, der zu einem Ring zusammengerollt ist.

de mit freigegebener Mechanisierung
de mit freigegebener Mechanisierung

Versuche, diese Erfindung in die Praxis umzusetzen, waren nicht erfolgreich. Der Grund ist die Instabilität des Geräts in der Luft. Jüngste Fortschritte auf dem Gebiet der intelligenten Steuerung instabiler Strukturen in der Luft, das sogenannte Fly-by-Wire-Prinzip, lassen jedoch auf das Aufkommen dieses exotischen Flugzeugs hoffen.

Was wurde erreicht

Obwohl es nicht möglich war, den Schirm des Erfinders in die Luft zu heben, trat der Coanda-Effekt einDie Luftfahrt wird eingesetzt, aber relativ gesehen in sekundären Bereichen. Als herausragende Beispiele kann man einen in den 40er Jahren entwickelten Hubschrauber ohne Heckrotor anführen, dessen Funktionen zum Ausgleich der Drehung des Hauptrotors von einem im Heck eingebauten Lüfter und Düsen mit speziellen Führungen übernommen wurden. Das gleiche System ermöglichte es, den Hubschrauber in Gier und Nick zu steuern. Dies wurde beim MD 520N, MD 600N und MD Explorer angewendet.

Bei Flugzeugen ist der Coanda-Effekt in erster Linie eine Erhöhung des Auftriebs durch zusätzlichen Luftstrom vom Motor zur Oberseite des Flügels, was die maximale Wirkung ergibt, wenn die Mechanisierung gelöst wird, dh wann Der Flügel hat das „konvexste“Profil, wodurch die Strömung fast senkrecht nach unten austreten kann. Dies wurde in sowjetischen An-72-, An-74- und An-70-Flugzeugen implementiert. Alle diese Maschinen haben verbesserte Start- und Landeeigenschaften, was die Verwendung von kurzen Start- und Landebahnen ermöglicht.

Von der amerikanischen Technologie können wir die "Boeing C-7" nennen, die das gleiche Prinzip verwendet, sowie eine Reihe von Versuchsmaschinen. In der Nachkriegszeit wurden viele Versuche unternommen, ein Flugzeug zu bauen, das auf den Prinzipien des Coanda-Effekts basiert. Alle hatten die Form einer fliegenden Untertasse und alle wurden nach einer gewissen Zeit wegen technischer Schwierigkeiten geschlossen. Möglicherweise werden diese Arbeiten derzeit in streng bewachter Form durchgeführt.

Formel 1 Verkehrsfluss
Formel 1 Verkehrsfluss

Vom Himmel zur Erde und unter Wasser

Um den Grip der Räder auf der Strecke zu erhöhen, wurde der Coanda-Effekt eingesetztund in den Designs von Formel-1-Autos. Die Maschinen sind mit Diffusoren und Verkleidungen ausgestattet, gegen die der Abgasstrom gedrückt wird, um den gewünschten Effekt zu erzielen. Das obige Bild zeigt die Bewegung von Abgasen, die an den Konturen haften bleiben, obwohl das Auspuffrohr selbst nach oben zeigt.

Zusätzlich zum Landtransport wurden und werden experimentelle Arbeiten im Zusammenhang mit der Verwendung dieses Phänomens auf U-Booten durchgeführt. Insbesondere wurde in St. Petersburg ein ziemlich exotisches Unterwasserfahrrad geschaffen, das aus irgendeinem Grund auf Englisch Blue Space heißt, übersetzt als "Blue Space". Was er nutzt, um sich fortzubewegen, ist der Coanda-Effekt. Vor dem „Unterwasserrad“sind Verkleidungen installiert, in denen Ruderrollen montiert sind, die Wasser durch spezielle Schlitze ansaugen. Das Wasser wird dann auf die Oberfläche des Maschinenkörpers gedrückt, wodurch auf seiner Oberfläche Schub erzeugt wird. Wasser fließt um den gesamten Rumpf herum, wird in den Schlitz im Heck zurückgesaugt und herausgedrückt.

Empfohlen: