El efecto Coandă ( / ˈ k w ɑː n d ə / o / ˈ k w æ -/ ) es la tendencia de un chorro de fluido a permanecer adherido a una superficie convexa . [1] Merriam-Webster lo describe como "la tendencia de un chorro de fluido que emerge de un orificio a seguir una superficie plana o curva adyacente y arrastrar fluido de los alrededores de modo que se desarrolle una región de menor presión". [2]
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. [a] [3] Se documentó por primera vez explícitamente en dos patentes emitidas en 1936.
Una descripción temprana de este fenómeno fue proporcionada por Thomas Young en una conferencia dada en la Royal Society en 1800:
La presión lateral que empuja la llama de una vela hacia la corriente de aire que sale de un soplete es probablemente exactamente similar a la presión que facilita la inflexión de una corriente de aire cerca de un obstáculo. Observe el hoyuelo que una delgada corriente de aire forma en la superficie del agua. Ponga un cuerpo convexo en contacto con el costado de la corriente y el lugar del hoyuelo mostrará inmediatamente que la corriente se desvía hacia el cuerpo; y si el cuerpo tiene libertad para moverse en todas las direcciones, será impulsado hacia la corriente... [b]
Cien años después, Henri Coandă identificó una aplicación del efecto durante experimentos con su avión Coandă-1910 , que montaba un motor inusual que él diseñó. La turbina impulsada por motor empujaba 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 hacia otro fluido". El efecto fue descrito como la "desviación de un chorro plano de un fluido que penetra en otro fluido en las proximidades de una pared convexa". Los primeros documentos oficiales que mencionan explícitamente el efecto Coandă fueron dos patentes de 1936 de Henri Coandă. [4] [5] Este nombre fue aceptado por el principal aerodinámico Theodore von Kármán , quien tuvo una larga relación científica con Coandă en problemas de aerodinámica. [6]
Un chorro de aire libre arrastra moléculas de aire de su entorno inmediato, lo que provoca un "tubo" o "manga" axisimétrico de baja presión alrededor del chorro (véase el diagrama 1). Las fuerzas resultantes de este tubo de baja presión acaban equilibrando cualquier inestabilidad del 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), el arrastre (y, por tanto, la eliminación) de aire de entre la superficie sólida y el chorro provoca una reducción de la presión del aire en ese lado del chorro que no se puede equilibrar tan rápidamente como la región de baja presión en el lado "abierto" del chorro. La diferencia de presión a través del chorro hace que este se desvíe hacia la superficie cercana y luego se adhiera a ella (diagrama 3). [7] [8] El chorro se adhiere incluso mejor a las superficies curvas (diagrama 4), porque cada cambio incremental (infinitesimalmente pequeño) en la dirección de la superficie provoca los efectos descritos para la curvatura inicial del chorro hacia la superficie. [8] [9] Si la superficie no tiene una curvatura demasiado pronunciada, 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 causan estos cambios en la dirección del flujo del chorro provocan una fuerza igual y opuesta sobre la superficie a lo largo de la cual fluye el chorro. [8] Estas fuerzas inducidas por el efecto Coandă se pueden aprovechar para causar sustentación y otras formas de movimiento, dependiendo de la orientación del chorro y la superficie a la que se adhiere. [7] Un pequeño "labio" superficial 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, lo que promueve la inclinación hacia la superficie. [7]
El efecto Coandă se puede inducir en cualquier fluido y, por lo tanto, es igualmente efectivo en el agua y el aire. [7] Un perfil aerodinámico calentado reduce significativamente la resistencia. [10]
Las fuentes más antiguas aportan información teórica y experimental necesaria para obtener una explicación detallada del efecto. El efecto Coandă puede producirse a lo largo de una pared curva, ya sea en chorro libre o en chorro de pared .
En la imagen de la izquierda de la sección precedente: “El mecanismo del efecto Coanda”, el efecto, tal como se describe en 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 el entorno. 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 se produce una mezcla turbulenta a presión ambiente.
En la imagen de la derecha, el efecto se produce a lo largo de la pared curva en forma de chorro de pared . La imagen de la derecha representa un chorro de pared bidimensional entre dos paredes planas paralelas, donde el "obstáculo" es una porción de un cuarto de cilindro que sigue al orificio rectangular horizontal plano, de modo que no se arrastra ningún fluido del entorno a lo largo de la pared, sino solo en el lado opuesto en una mezcla turbulenta con el aire ambiente.
Para comparar el experimento con un modelo teórico, se toma como referencia un chorro de pared plano 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 mejor dicho 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 la capa límite 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 yo/a , la curvatura relativa. Este gradiente de presión puede aparecer en una zona anterior y posterior al origen del chorro, 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 turbulentos con un número de Reynolds de 10 6 y 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 chorro (ver el diagrama de la derecha). [11] [12]
Por encima de una críticayo/a relación de 0,5 sólo se ven efectos locales en el origen del chorro que se extienden sobre un pequeño ángulo de 18° a lo largo de la pared curva. El chorro luego se separa inmediatamente de la pared curva. Por lo tanto, aquí no se ve un efecto Coandă sino solo una adherencia 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°, seguida de un ángulo igual de 9° donde esta presión aumenta hasta la presión atmosférica en la separación de la capa límite, sujeta a este gradiente longitudinal positivo. Sin embargo, si el yo/a Si la relación es menor que el valor crítico de 0,5, la presión inferior a la ambiental medida en la pared que se ve en el origen del chorro continúa a lo largo de la pared (hasta que la pared termina; vea el diagrama de la derecha). Este es "un verdadero efecto Coandă", ya 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 [13] de un flujo no viscoso a lo largo de una pared circular muestra que existe una solución no viscosa con cualquier curvatura .yo/a 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.
Introduciendo en el cálculo el ángulo de separación encontrado en los experimentos anteriores para cada valor de la curvatura relativa yo/a , la imagen aquí fue obtenida recientemente, [14] [ fuente autopublicada? ] y muestra efectos inerciales 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, [15] citado en Lift , la derivación de su ecuación (4c) también muestra que la contribución del estrés viscoso al giro del flujo es insignificante.
Una forma alternativa sería calcular el ángulo de deflexión en el que se separa la capa límite sometida al campo de presión no viscoso. Se ha intentado un cálculo aproximado que da el ángulo de separación en función de yo/a y el número de Reynolds: [12] Los resultados se informan en la imagen, por ejemplo, 54° calculados en lugar de 60° medidos para yo/a = 0,25. Sería deseable realizar 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 que el crítico yo/aLas relaciones para números de Reynolds pequeños son mucho más pequeñas que las del flujo turbulento. [ 16 ] hastayo/a = 0,14 con un número de Reynolds de 500, y yo/a = 0,05 para un número de Reynolds de 100.
LC Woods también realizó 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 una separación en B, incluyendo un ángulo de deflexión θ . Nuevamente existe una solución para cualquier valor de la curvatura relativa yo/a 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. La distribución de presión superficial se calcula entonces utilizando la ecuación de Bernoulli. Observemos la presión ( p a ) y la velocidad ( v a ) a lo largo de la línea de corriente libre a la presión ambiente, y γ el ángulo a lo largo de la pared que es cero en A y θ en B. Entonces se encuentra que la velocidad ( v ) es:
Una imagen de la distribución de la presión superficial del chorro alrededor de la superficie cilíndrica utilizando los mismos valores de la curvatura relativa .yo/a , y se ha establecido el mismo ángulo θ que los encontrados para el chorro de pared reportado en la imagen del lado derecho aquí: se puede encontrar en la referencia (15) p. 104 [ cita requerida ] 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 medición experimental de la distribución de presión superficial correspondiente.
Experimentos realizados en 1959 por Bourque y Newmann [17] sobre la reincorporación 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 única placa plana inclinada en un 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 disminuye, y finalmente se reincorpora a ella, 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 reivindicación del inventor es que la cantidad de fluido arrastrado por el chorro desde el entorno aumenta cuando el chorro se desvía, una característica explotada para mejorar el barrido de los motores de combustión interna y para aumentar el coeficiente de sustentación máximo de un ala, como se indica en las aplicaciones siguientes.
En ambos casos se han medido debidamente la distribución de la presión superficial así como la distancia de reconexión y se han desarrollado dos teorías aproximadas para la presión media dentro de la burbuja de separación, la posición de reconexión y el aumento del flujo volumétrico desde el orificio: la concordancia con el experimento fue satisfactoria.
El efecto Coandă tiene aplicaciones en varios dispositivos de alta sustentación en aeronaves , donde el aire que se mueve sobre el ala puede ser "doblado hacia abajo" hacia el suelo usando flaps y una lámina de chorro que sopla sobre la superficie curva de la parte superior del ala. La curvatura del flujo da como resultado una sustentación aerodinámica . [18] 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 son expulsadas 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", [19] John Frost de Avro Canada también pasó un tiempo considerable investigando el efecto, lo que llevó a una serie de aeronaves similares a aerodeslizadores "de adentro hacia afuera" de las cuales el aire salía en un anillo alrededor del exterior de la aeronave y se dirigía al estar "unido" a un anillo similar a un flap.
Este diseño se diferencia del diseño tradicional de aerodeslizador, en el que el aire se introduce en una zona central, el pleno , y se dirige hacia abajo mediante un "faldón" de tela. Solo se construyó uno de los diseños de Frost: el Avro Canada VZ-9 Avrocar .
El Avrocar (a menudo denominado "VZ-9") fue un avión de despegue y aterrizaje vertical (VTOL) canadiense desarrollado por Avro Aircraft Ltd. como parte de un proyecto militar secreto de los Estados Unidos llevado a cabo en los primeros años de la Guerra Fría . [20] El Avrocar pretendía explotar el efecto Coandă para proporcionar sustentación y empuje a partir de un único "turborrotor" que expulsara el escape por el borde del avión en forma de disco para proporcionar el rendimiento esperado similar al de un VTOL. En el aire, se habría parecido a un platillo volante . Se construyeron dos prototipos como vehículos de prueba de "prueba de concepto" para un caza más avanzado de la Fuerza Aérea de los EE. UU. y también para un requisito de avión de combate táctico del Ejército de los EE. UU. [21]
El Proyecto 1794 de Avro de 1956 para el ejército estadounidense diseñó un platillo volador a mayor escala basado en el efecto Coandă y pretendía alcanzar velocidades entre Mach 3 y Mach 4. [22] Los documentos del proyecto permanecieron clasificados hasta 2012.
El efecto también se implementó durante el proyecto Advanced Medium STOL Transport (AMST) de la Fuerza Aérea de los EE. UU. Varias aeronaves, en particular el Boeing YC-14 (el primer tipo moderno en explotar el efecto), el Quiet Short-Haul Research Aircraft de la NASA y el avión de investigación Asuka del Laboratorio Aeroespacial Nacional de Japón se han construido para aprovechar este efecto, montando turbofán 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 un grado importante, el Antonov An-72 "Coaler". El hidroavión Shin Meiwa US-1A utiliza un sistema similar, solo que dirige la estela de hélice de sus cuatro motores turbohélice sobre la parte superior del ala para generar sustentación a baja velocidad. Más singularmente, incorpora un quinto motor de turboeje dentro de la sección central del ala únicamente para proporcionar aire para los potentes flaps soplados . La adición de estos dos sistemas le da al avión 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 utilizan este efecto. El helicóptero NOTAR reemplaza el rotor de cola de hélice convencional por una cola de efecto Coanda (diagrama de la izquierda).
La literatura científica producida por el proyecto ACHEON EU FP7 proporcionó una mejor comprensión del efecto Coandă. [23] Este proyecto utilizó una boquilla simétrica particular para producir un modelado efectivo del efecto Coandă, [24] [25] [26] y determinó configuraciones innovadoras de aeronaves STOL basadas en el efecto. [27] [28] Esta actividad ha sido ampliada por Dragan en el sector de turbomaquinaria, con el objetivo de optimizar mejor la forma de las palas giratorias mediante el trabajo del Centro de Investigación Comoti de Rumania sobre turbomaquinaria. [29] [30]
Un uso práctico del efecto Coandă es en las pantallas hidroeléctricas inclinadas [31] , que separan los desechos, peces, etc., que de otro modo se encontrarían en el flujo de entrada a las turbinas. Debido a la pendiente, los desechos caen de las pantallas sin limpieza mecánica y, debido a que los cables de la pantalla optimizan el efecto Coandă, el agua fluye a través de la pantalla hacia las tuberías forzadas que conducen el agua a las turbinas.
El efecto Coandă se utiliza en dispensadores de fluidos de patrón doble en lavaparabrisas de automóviles. [32]
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, lo que hace que se divida nuevamente, pero en la dirección de 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 a través de ella. [33]
En el 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 desde el difusor se "pegue" al techo, viaja más lejos antes de caer para 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 los sistemas de aire acondicionado de volumen de aire variable (VAV), permite mayores relaciones de reducción . Los difusores lineales y los difusores de ranura que presentan una mayor longitud de contacto con el techo exhiben un mayor efecto Coandă.
En medicina cardiovascular , el efecto Coandă explica los flujos separados de sangre en la aurícula derecha fetal . [34] También explica por qué los chorros de regurgitación mitral excéntricos son atraídos y dispersados a lo largo de las superficies de la pared auricular izquierda adyacentes (los llamados "chorros que abrazan la pared" como se ve en la interrogación ecocardiográfica Doppler color). Esto es clínicamente relevante porque el área visual (y por lo tanto la gravedad) de estos chorros excéntricos que abrazan la pared a menudo se subestima en comparación con los chorros centrales más fácilmente aparentes. En estos casos, se prefieren métodos volumétricos como el método de área de superficie de isovelocidad proximal (PISA) para cuantificar la gravedad de la regurgitación mitral .
En medicina, el efecto Coandă se utiliza en los respiradores. [35] [36] [37]
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 sobre la agricultura y la vegetación. También parece ser un efecto en el valle del Ródano en Francia y cerca del Gran Delta en Alaska. [38]
En las carreras de automóviles de Fórmula Uno , el efecto Coandă ha sido explotado por los equipos McLaren, Sauber, Ferrari y Lotus, después de la primera introducción por Adrian Newey (Red Bull Team) 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 coche. [39] Debido a los cambios en las regulaciones establecidas por la FIA desde el comienzo de la temporada 2014 de Fórmula Uno , la intención de redirigir los gases de escape para utilizar el efecto Coandă se ha negado, debido al requisito obligatorio de que el escape del automóvil no tenga carrocería destinada a contribuir al efecto aerodinámico situada directamente detrás de él. [40]
En fluídica , el efecto Coanda se utilizó para construir multivibradores biestables , donde la corriente de trabajo (aire comprimido) se pegaba a una u otra pared curva y los rayos de control podían cambiar la corriente entre las paredes.
El efecto Coandă también se utiliza para mezclar dos fluidos diferentes en un mezclador. [41] [42]
El efecto Coandă se puede demostrar dirigiendo un pequeño chorro de aire hacia arriba en un ángulo sobre una pelota de ping pong. El chorro es atraído hacia la superficie superior de la pelota y sigue su curva alrededor de ella, debido a la aceleración (radial) (desaceleración y giro) del aire alrededor de la pelota. Con suficiente flujo de aire, este cambio en el momento se equilibra con la fuerza igual y opuesta sobre la pelota que soporta su peso. Esta demostración se puede realizar utilizando 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 un ángulo.
Un error muy común es creer que el efecto Coandă se manifiesta cuando un chorro de agua corriente fluye sobre el dorso de una cuchara sostenida ligeramente en el chorro y la cuchara es arrastrada hacia el chorro (por ejemplo, Massey 1979, Fig. 3.12 utiliza el efecto Coandă para explicar la desviación del agua alrededor de un cilindro). Aunque el flujo parece 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 en 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 afirma que la desviación del agua "en realidad demuestra atracción molecular y tensión superficial").
Otra demostración es dirigir el flujo de aire, por ejemplo, desde una aspiradora que funciona en reversa, tangencialmente más allá de un cilindro redondo. Una papelera funciona bien. El flujo de aire parece "envolver" el cilindro y puede detectarse a más de 180° del flujo entrante. En las condiciones adecuadas, caudal, peso del cilindro, suavidad de la superficie sobre la que se asienta, el cilindro realmente se mueve. Nótese que el cilindro no se mueve directamente hacia el flujo como predeciría una aplicación incorrecta del efecto Bernoulli , sino en diagonal.
El efecto Coandă también se puede demostrar colocando una lata delante de una vela encendida, de modo que cuando la línea de visión se encuentre a lo largo de la parte superior de la lata, la llama de la vela quede completamente oculta a la vista detrás de ella. Si luego se sopla directamente a la lata, la vela se apagará a pesar de que la lata esté "en el camino". Esto se debe a que el flujo de aire dirigido a la lata se curva alrededor de ella y aún así llega a la vela para apagarla, de acuerdo con el efecto Coandă.
El uso ingenieril del efecto Coanda tiene ventajas y 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. En determinadas condiciones (por ejemplo, cuando un barco se desplaza por el agua), el efecto Coandă cambia la dirección de un chorro de la 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. [c] El empuje lateral puede desaparecer por completo a velocidades superiores a unos 3 nudos. [43] Si el efecto Coandă se aplica a toberas de forma simétrica, presenta problemas de resonancia. [28]
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