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 desde los alrededores para 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 aviones alrededor de 1910. [a] [3] Se documentó explícitamente por primera vez en dos patentes concedidas en 1936.
Thomas Young proporcionó una descripción temprana de este fenómeno en una conferencia pronunciada en la Royal Society en 1800:
La presión lateral que impulsa la llama de una vela hacia la corriente de aire de una cerbatana es probablemente exactamente similar a la presión que facilita la inflexión de una corriente de aire cerca de un obstáculo. Marque el hoyuelo que forma una fina corriente de aire en la superficie del agua. Ponga un cuerpo convexo en contacto con el lado 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 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 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 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 destacado aerodinámico Theodore von Kármán , quien tenía una larga relación científica con Coandă sobre problemas de aerodinámica. [6]
Un chorro de aire libre arrastra moléculas de aire desde su entorno inmediato provocando un "tubo" o "manguito" axialmente simétrico de baja presión alrededor del chorro (ver Diagrama 1). Las fuerzas resultantes de este tubo de baja presión terminan 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), 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. chorro que no puede equilibrarse tan rápidamente como la región de baja presión en el lado "abierto" 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). [7] [8] El chorro se adhiere aún mejor a superficies curvas (Diagrama 4), porque cada cambio incremental (infinitesimidadmente 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 curva 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 provocan 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 pueden aprovecharse para provocar elevación y otras formas de movimiento, dependiendo de la orientación del chorro y la superficie a la que se adhiere. [7] Un pequeño "labio" de superficie 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 se debe al hecho de que se forma un vórtice de baja presión detrás del labio, lo que promueve la inmersión hacia la superficie. [7]
El efecto Coandă puede inducirse en cualquier fluido y, por tanto, es igualmente eficaz en agua y aire. [7] Un perfil aerodinámico calentado reduce significativamente la resistencia. [10]
Las primeras fuentes proporcionan 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 chorro libre o en pared .
En la imagen de la izquierda de la sección anterior: "El mecanismo del efecto Coandă", el efecto descrito, en términos de T. Young como "la presión lateral que facilita la inflexión de una corriente de aire cerca de un obstáculo", representa una Chorro libre que emerge de un orificio y de un obstáculo en el entorno. Incluye la tendencia de un chorro libre que emerge de un orificio a arrastrar fluido desde un entorno confinado con acceso limitado, sin desarrollar ninguna región de menor presión cuando no hay ningún obstáculo en el entorno, como es el caso en el lado opuesto donde se produce una 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 porción de un cuarto de cilindro que sigue el orificio rectangular plano horizontal, de modo que no se arrastra ningún fluido desde los alrededores a lo largo de la pared. pero sólo en el lado opuesto en caso de mezcla turbulenta con el aire ambiente.
Para comparar el experimento con un modelo teórico, se hace referencia a 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 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 igual en todas partes a la presión atmosférica y a la frontera. La 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 de la superficie externa y de la pared del chorro, creando un gradiente de presión dependiendo deh/r, la curvatura relativa. Este gradiente de presión puede aparecer en una zona antes y después del 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). ).
Los experimentos realizados en 1956 con chorros de aire turbulentos con un número de Reynolds de 10 6 en varios anchos de chorro ( h ) muestran las presiones medidas a lo largo de una pared curvada circularmente con un radio ( r ) en una serie de distancias horizontales desde el origen del chorro (ver la diagrama de la derecha). [11] [12]
Por encima de un críticoh/rrelación de 0,5 sólo se ven efectos locales en el origen del chorro que se extienden en 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 sólo 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 elh/rLa relación es menor que el valor crítico de 0,5, la presión inferior a la ambiental medida en la pared vista en el origen del chorro continúa a lo largo de la pared (hasta que la pared termina; vea el diagrama a la derecha). Se trata de "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.h/ry 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.h/r, la imagen aquí se obtuvo recientemente, [14] [¿ fuente autoeditada? ] y muestra los 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 se debe exclusivamente al gradiente de presión transversal, como describe T. Young. Entonces, la viscosidad sólo 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 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 sometida al campo de presión no viscosa. Se ha intentado un cálculo aproximado que da el ángulo de separación en función deh/ry el número de Reynolds: [12] Los resultados se informan en la imagen, por ejemplo, 54° calculados en lugar de 60° medidos parah/r= 0,25. Sería deseable realizar más experimentos y un cálculo de la capa límite más preciso.
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 punto críticoh/rLas relaciones para números de Reynolds pequeños son mucho más pequeñas que las del flujo turbulento. [16] hastah/r= 0,14 con un número de Reynolds de 500, yh/r= 0,05 para un número de Reynolds de 100.
LC Woods también hizo el cálculo del flujo bidimensional no viscoso de un chorro libre de ancho h, desviado alrededor de una superficie circularmente cilíndrica de radio r, entre un primer contacto A y la separación en B, incluido un ángulo de deflexión θ . Nuevamente existe una solución para cualquier valor de la curvatura relativa.h/ry el ángulo θ . Además, en el caso de un chorro libre, la ecuación se puede resolver en forma cerrada, dando la distribución de velocidades a lo largo de la pared circular. Luego, la distribución de la presión superficial se calcula utilizando la ecuación de Bernoulli. Notemos la presión ( p a ) y la velocidad ( v a ) 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 se encuentra la velocidad ( v ). ser:
Una imagen de la distribución de presión superficial del chorro alrededor de la superficie cilíndrica utilizando los mismos valores de curvatura relativa.h/r, y se ha establecido el mismo ángulo θ que los encontrados para el chorro de pared reportado en la imagen de la derecha aquí: se puede encontrar en la referencia (15) p. 104 [ cita necesaria ] y ambas imágenes son bastante similares: el efecto Coandă de un chorro libre es inercial, al igual 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 reinserción de un chorro turbulento bidimensional a una placa paralela desplazada después de encerrar una burbuja de separación donde está confinado 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 ángulo en lugar de la pared circularmente curvada 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 se reduce la presión, y finalmente se vuelve a unir a él, encerrando una burbuja de separación. El chorro permanece libre si el ángulo es superior a 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 el entorno aumenta cuando el chorro se desvía, característica aprovechada para mejorar la evacuación de los motores de combustión interna. y para aumentar el coeficiente de sustentación máximo de un ala, como se indica en las aplicaciones siguientes.
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 flujo volumétrico desde el orificio: la concordancia con el experimento fue satisfactorio.
El efecto Coandă tiene aplicaciones en varios dispositivos de gran sustentación en aviones , donde el aire que se mueve sobre el ala puede "doblarse" 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 produce 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 dramáticamente 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 Canadá también dedicó un tiempo considerable a investigar el efecto, lo que llevó a una serie de aerodeslizadores "de adentro hacia afuera". -Avión del que el aire salía en un anillo alrededor del exterior del avión y se dirigía "unido" a un anillo en forma de aleta.
Esto es, a diferencia del diseño tradicional de aerodeslizador, en el que el aire se sopla hacia un área central, el pleno , y se dirige hacia abajo con el uso de un "faldón" de tela. Sólo se construyó uno de los diseños de Frost, el Avro Canada VZ-9 Avrocar .
El Avrocar (a menudo catalogado 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 los primeros años de la Guerra Fría . [20] El Avrocar tenía la intención de explotar el efecto Coandă para proporcionar sustentación y empuje desde un solo "turbotor" que expulsaba el escape del borde del avión en forma de disco para proporcionar un rendimiento similar al VTOL anticipado. En el aire, habría parecido 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 EE. UU. y también para un avión de combate táctico del Ejército de EE. UU. [21]
El Proyecto 1794 de Avro de 1956 para el ejército estadounidense diseñó un platillo volante de 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 de Transporte STOL Medio Avanzado (AMST) de la Fuerza Aérea de EE. UU . Varios aviones, en particular el Boeing YC-14 (el primer tipo moderno que explota el efecto), el silencioso avión de investigación de corta distancia de la NASA y el avión de investigación Asuka del Laboratorio Nacional Aeroespacial de Japón, se han construido para aprovechar este efecto. montando turbofan en la parte superior de las alas para proporcionar aire a alta velocidad incluso a bajas velocidades de vuelo, pero hasta la fecha sólo un avión ha entrado en producción utilizando este sistema en mayor medida: el Antonov An-72 "Coaler". El hidroavión Shin Meiwa US-1A utiliza un sistema similar, sólo que dirige el propulsor 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 . La incorporación 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 emplean el efecto. El helicóptero NOTAR sustituye el rotor de cola de hélice convencional por una cola de efecto Coandă (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 aviones STOL basadas en el efecto. [27] [28] Dragan ha ampliado esta actividad en el sector de las turbomáquinas, con el objetivo de optimizar mejor la forma de las palas giratorias mediante el trabajo del Centro de Investigación Rumano Comoti en turbomáquinas. [29] [30]
Un uso práctico del efecto Coandă es para pantallas hidroeléctricas inclinadas , [31] que separan desechos, peces, etc., que de otro modo se encontrarían en el flujo de entrada a las turbinas. Debido a la pendiente, los escombros caen de las cribas sin limpieza mecánica, y debido a que los cables de la criba optimizan el efecto Coandă, el agua fluye a través de la criba hacia las compuertas que conducen el agua a las turbinas.
El efecto Coandă se utiliza en dispensadores de líquido de doble patrón en lavaparabrisas de automóviles. [32]
El principio de funcionamiento de los caudalímetros oscilatorios también se basa en el fenómeno Coandă. El líquido entrante ingresa a 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 dividir 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 genera el volumen que pasa. [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 por el difusor se "pegue" al techo, viaja más lejos antes de caer con 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 mayores índices de reducción . Los difusores lineales y los difusores lineales que presentan una mayor longitud de contacto con el techo exhiben un mayor efecto Coandă.
En medicina cardiovascular , el efecto Coandă explica los flujos de sangre separados en la aurícula derecha del feto . [34] También explica por qué los chorros excéntricos de regurgitación mitral son atraídos y dispersados a lo largo de las superficies adyacentes de la pared auricular izquierda (los llamados "chorros que abrazan la pared", como se ve en el interrogatorio ecocardiográfico 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 del área de superficie de isovelocidad proximal (PISA) para cuantificar la gravedad de la insuficiencia mitral .
En medicina, el efecto Coandă se utiliza en ventiladores. [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 haber un efecto en el valle del Ródano en Francia y cerca del Gran Delta en Alaska. [38]
En las carreras de Fórmula Uno , el efecto Coandă ha sido aprovechado por los equipos McLaren, Sauber, Ferrari y Lotus, después de la primera introducción por parte de Adrian Newey (equipo Red Bull) 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 ha sido negada, debido al requisito obligatorio de que los gases de escape de los automóviles no tengan carrocería destinada a contribuir al efecto aerodinámico situada directamente detrás de ella. [40]
En fluídica , el efecto Coandă se utilizó 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.
El efecto Coandă también se utiliza para mezclar dos fluidos diferentes en una batidora. [41] [42]
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 de impulso se equilibra con la fuerza igual y opuesta sobre la pelota que soporta su peso. Esta demostración se puede realizar usando un secador de pelo en la posición más baja o una aspiradora si la salida se puede conectar a la tubería y apuntar hacia arriba en ángulo.
Un error común es creer que el efecto Coandă se demuestra cuando un chorro de agua del grifo fluye sobre el dorso de una cuchara que se mantiene ligeramente en el chorro y la cuchara se introduce en el chorro (por ejemplo, Massey 1979, Fig. 3.12 utiliza el efecto Coandă para explicar la desviación del agua alrededor de un cilindro). Si bien el flujo se parece mucho al flujo de aire sobre la pelota de ping pong de arriba (si se 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 manifestación en 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 consiste en dirigir el flujo de aire desde, por ejemplo, una aspiradora que funciona en sentido inverso, tangencialmente pasando por 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. Tenga en cuenta que el cilindro no se mueve directamente hacia el flujo como lo predeciría una mala aplicación 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 esté 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 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 llega a la vela para apagarla, de acuerdo con el efecto Coandă.
El uso en ingeniería del efecto Coandă 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 la embarcación generada por una hélice es 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. [c] El empuje lateral puede desaparecer por completo a velocidades superiores a unos 3 nudos. [43] Si el efecto Coandă se aplica a boquillas de forma simétrica, presenta problemas de resonancia. [28]
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