康达效应

流体力学术语

康达效应(Coanda Effect)亦称附壁作用或柯恩达效应。 流体(水流或气流)由偏离原本流动方向,改为随着凸出的物体表面流动的倾向。当流体与它流过的物体表面之间存在表面摩擦时(也可以说是流体粘性),只要曲率不大,流体就会顺着该物体表面流动。根据牛顿第三定律,物体施与流体一个偏转的力,则流体也必定要施与物体一个反向偏转的力。这种力在轻质物体上体现得非常明显,如汤勺,但对于大型飞机来说,比重并不是很大。这种作用是以罗马尼亚发明家亨利·康达为名。

发现
这个现象的早期描述由托马斯·杨在1800年给皇家学会的演讲中提供:
将来自吹气管的蜡烛的火焰推向空气流的横向压力可能与减轻靠近障碍物的空气流的拐点的压力完全相似。标记一个细长的空气流在水面上的凹坑。将凸体与流体的一侧接触,凹坑的位置将立即显示电流朝向身体偏转;如果身体在每个方向都能自由移动,就会被迫朝当前的方向发展。
一百年后,亨利·科兰迪(HenriCoandă)在实验中发现了他的Coandă-1910飞机的应用,这架飞机设计了一种不寻常的引擎。电动涡轮机向后推动热空气,Coandă注意到气流被吸引到附近的表面。在1934年,Coandă在法国获得了一项“将流体转移到另一种流体中的方法和装置”的专利。该效果被描述为“在凸壁附近渗透另一种流体的流体的平均射流的偏差”。明确提及Coandă效应的第一份正式文件是HenriCoandă的两项1936年专利,这个名字被领先的空气动力学家西奥多·冯·卡尔曼(西奥多·冯·卡尔曼)接受,他与科安达在空气动力学问题上有着悠久的科学关系。
康达作用机制
空气流将从周围的周围引入空气分子,造成射流周围的低压“管”或“套筒”。来自这个低压管周围的环境空气将对射流施加一个力,当从横截面看时,其在所有方向上是相等的。因此,喷气机不会偏离直线移动。然而,如果固体表面靠近喷嘴放置并近似平行,则空气从固体表面和喷嘴之间的夹带(并因此去除)会导致减少不能像射流“敞开”一侧的低压区域那样快速中和的射流那边的空气压力。横穿射流的压力差导致射流偏离附近的表面,然后粘附到其上。即使它是弯曲的,射流也将粘附到表面上,因为每个(无穷小的)增量的表面方向上的变化会带来喷射朝向表面的初始弯曲所描述的效果,如果表面不是太尖锐地弯曲,则在适当的情况下,即使在圆柱形弯曲表面上流动180°之后,射流也可以附着在表面上,因此在与其初始方向相反的方向上行进。引起喷射流动方向的这些变化的力在喷流流动的表面上产生相等且相反的力。这些Coandă效应诱发的力可以被利用来引起升力和其他形式的运动,这取决于射流和射流附着的表面的取向。
在喷嘴开始流过该表面的点处的表面上的小的“唇”(参见图1)增强了射流的流动方向的初始偏差,并且随后的附着表面。这是由于低压涡流形成在唇缘后面,促使射流向表面的倾斜。
Coandă效应可以在任何流体中诱导,因此在水中与空气中同样有效。
存在条件
早期资料提供了理论和实验两方面的信息,需要通过比较得出Coandă效应及其限制的详细解释。可以在自由射流或壁射流中沿弯曲的壁发生共同作用。
“康达效应的机制”,以T.Young的术语所描述的“减轻障碍物附近的空气的电流的侧向压力”的效果表示从喷口出来的自由喷嘴和周围的障碍物。它包括从孔口出来的自由射流的趋势,以限制进入的环境夹带流体,而在周围没有障碍物的情况下,不会发展出任何较低压力的区域,如在湍流混合发生在环境压力下。
在正确的图像上,效果沿着弯曲的墙壁发生作为壁射流。在两个平行的平面壁之间的二维壁喷射,其中“障碍物”是遵循扁平的水平矩形孔的四分之一圆柱形部分,使得根本没有流体从周围沿壁被夹带,但仅在与环境空气湍流混合的相对侧。
为了比较理论模型的经验,我们首先参考半径为r的圆形壁的宽度为h的二维平面壁射流。墙壁射流遵循无穷大半径的平坦的水平墙壁,或者其半径是地球的半径而没有分离,因为混合区域中的表面压力以及外部压力均等于大气压力和边界层不与墙分离。沿半径r = 12cm的圆形弯曲壁测量表面压力,使宽度为h的湍流空气(雷诺数= 106)偏转。由于在喷嘴出口处的局部效应,喷射头的起始点之前,压力开始下降,从而产生射流。如果h / r比(射流的宽度与壁的曲率半径的比率)小于0.5,则观察到真实的Coandă效应,沿着弯曲壁的壁压力保持在该低(亚环境压力)水平,直到射流到达壁的端部(当压力迅速恢复到环境压力时)。如果h / r比大于0.5,则只有局部效应发生在射流的起点,之后喷射立即与墙壁分离,并且没有Coandă效应。
在1956年,以各种喷射宽度(h)的雷诺数为106的湍流空气射流进行的实验显示沿着与射流原点一系列水平距离的圆形弯曲壁(半径r)测量的压力。
在0.5以上的临界h / r比之下,只有沿射流原点的局部效应才能沿弯曲的壁18°的小角度延伸。喷气机立即与弯曲的墙壁分离。因此,这里没有看到Coandă效应,而仅仅是局部附件:在壁上出现的压力小于对应于9°的小角度的距离,随后是等于9°的角度,其中该压力增加到在边界层分离时的大气压力,受到这种正的纵向梯度。然而,如果h / r比值小于0.5的临界值,则在喷气发生器上观察到的壁上测量的环境压力低于墙壁。这是一种真正的Coandă效应,因为射流以几乎恒定的压力附着在墙上“,如在传统的壁射流中。
LC Woods在1954年对圆形壁的非粘性流程进行的计算表明,存在任何曲率h / r和任何给定的偏转角直到壁上的分离点的无粘性解,其中出现奇异点具有表面压力曲线的无限斜率。
在计算中,对于每个相对曲率h / r的值,在前述实验中发现的分离角度,最近获得了这里的图像,并显示了由非粘性解决方案表示的惯性效应。
应用
空气动力
附壁作用是大部分飞机机翼的主要运作原理。附壁作用的突然消失是飞机失速的主要原因。部分飞机特别使用引擎吹出的气流来增加附壁作用,用以提高升力。美国波音的YC-14及前苏联的安-72都是把喷射发动机装在机翼上方的前面,配合襟翼,吹出的气流可以提高低速时机翼的升力。波音的C-17运输机亦有透过附壁作用增加升力,但所产生的升力较少。直升机的「无尾螺旋」(NOTAR) 技术,亦是透过吹出空气在机尾引起附壁作用,造成推力平衡旋翼的作用力。
利用 Coanda 效应,可以有意识地诱导空气气流,在机翼上表面产生比飞机和空气相对速度更大的气流速度,提高升力。70 年代时,美国空军已经意识到C-130在速度、航程和载重上的局限,希望用喷气式中型战术运输机取代,这就是“先进中型短距起落运输机”(Advanced Medium STOL Transport)计划的由来。经过60年代的无功而返,美国空军已经不再强调垂直起落,所以AMST只要求短距起落。波音和麦道的AMST方案分别入选,参加对比试飞。波音的方案YC-14利用Coanda效应,发动机置于机翼前缘上方,喷流直接吹拂由于襟翼放下而弯度大增的机翼上表面,不光直接产生Coanda效应,还诱导周边的气流,一同产生增升效果。YC-14的试飞是成功的,但这时国防部采购政策正在助理国防部长David Packard 手里大刀阔斧地改革,AMST计划最终被取消了。波音YC-14的“上表面吹气增升”(Upper Surface Blowing,简称USB)最终墙里开花墙外香,被安东诺夫用到安-72 上,后者成为第一架采用USB的量产型飞机。
飞碟设计
不过 Coanda 效应不是只能用于短距起落飞机的。用好了,Coanda 效应可以实现垂直起落,这其中的佼佼者就是加拿大Avro 的 Avrocar。关于飞碟的传说很多,最后大多被证明只是人们的想象,但 Avrocar 确实很像飞碟,这大概是最接近传奇式的飞碟的飞行器了。Avrocar 就像一个上面圆浑的大碟子,中间是进气的圆孔,周边是一圈小喷嘴。发动机产生高压排气,通过周边的喷嘴喷出,拉动上方气流,沿上表面高速从中心向周边流动,在飞行器静止的时候就可以形成升力,达到垂直起飞。垂直起飞后,重新调整周边喷嘴的气流分布,就可以实现喷气推进,一旦达到一定速度,飞碟本身的形状就可以产生气动升力,这时转入正常飞行。Avrocar 是美国陆军 VZ 系列垂直起落研究机中的一个,在试飞中演示了垂直起落能力,但无法飞出地效高度,一进入无地效飞行,飞行控制就显得力不从心,飞行稳定性没法解决,最后下马了,留下一段飞碟的佳话。
升力的成因
然而当今有部分学者认为机翼产生升力的原理就是因为康达效应,即机翼把大量气流向下偏转而产生一个反作用力(升力)。这样的理解并不完全正确,真实环境下的飞机升力有多重因素,主要还是因为机翼上下表面压力差。另外,在超声速飞行时,反作用力仍存在,不过不占大比重。
实验演示
打开水龙头,放出小小的水流。把小汤匙的背放在流动的旁边。水流会被吸引,流到汤匙的背上。这是附壁作用及文丘里效应(Venturi Effect)作用的结果。当水流附在汤匙上以后,附壁作用令水流一直在汤匙上的凸出表面流动。
这个实验就是水流对物体施与反作用力的典型例子,然而不少观点认为汤勺被吸附是因为伯努利原理,导致水流过的一部分流速加快,压力变小,另一部分没有水流,压力较大。显然这种说法十分荒唐,伯努利原理不可用于物体处于两种不同流体间的比较,汤勺正面受到大气压,背面也受到大气压,尽管水流通过但不影响压力大小。一个反例就是,当你把勺子正面对着水流,就是让水流流过向内凹的一面,可以清楚地看到勺子朝远离水流的方向偏转了。
全国各地天气预报查询

上海市

  • 市辖区
  • 云南省

  • 临沧市
  • 云南省

  • 丽江市
  • 云南省

  • 保山市
  • 云南省

  • 大理白族自治州
  • 云南省

  • 德宏傣族景颇族自治州
  • 云南省

  • 怒江傈僳族自治州
  • 云南省

  • 文山壮族苗族自治州
  • 云南省

  • 昆明市
  • 云南省

  • 昭通市
  • 云南省

  • 普洱市
  • 云南省

  • 曲靖市
  • 云南省

  • 楚雄彝族自治州
  • 云南省

  • 玉溪市
  • 云南省

  • 红河哈尼族彝族自治州
  • 云南省

  • 西双版纳傣族自治州
  • 云南省

  • 迪庆藏族自治州
  • 内蒙古自治区

  • 乌兰察布市
  • 内蒙古自治区

  • 乌海市
  • 内蒙古自治区

  • 兴安盟
  • 内蒙古自治区

  • 包头市
  • 内蒙古自治区

  • 呼伦贝尔市
  • 内蒙古自治区

  • 呼和浩特市
  • 内蒙古自治区

  • 巴彦淖尔市
  • 内蒙古自治区

  • 赤峰市
  • 内蒙古自治区

  • 通辽市
  • 内蒙古自治区

  • 鄂尔多斯市
  • 内蒙古自治区

  • 锡林郭勒盟
  • 内蒙古自治区

  • 阿拉善盟
  • 北京市

  • 市辖区
  • 吉林省

  • 吉林市
  • 吉林省

  • 四平市
  • 吉林省

  • 延边朝鲜族自治州
  • 吉林省

  • 松原市
  • 吉林省

  • 白城市
  • 吉林省

  • 白山市
  • 吉林省

  • 辽源市
  • 吉林省

  • 通化市
  • 吉林省

  • 长春市
  • 四川省

  • 乐山市
  • 四川省

  • 内江市
  • 四川省

  • 凉山彝族自治州
  • 四川省

  • 南充市
  • 四川省

  • 宜宾市
  • 四川省

  • 巴中市
  • 四川省

  • 广元市
  • 四川省

  • 广安市
  • 四川省

  • 德阳市
  • 四川省

  • 成都市
  • 四川省

  • 攀枝花市
  • 四川省

  • 泸州市
  • 四川省

  • 甘孜藏族自治州
  • 四川省

  • 眉山市
  • 四川省

  • 绵阳市
  • 四川省

  • 自贡市
  • 四川省

  • 资阳市
  • 四川省

  • 达州市
  • 四川省

  • 遂宁市
  • 四川省

  • 阿坝藏族羌族自治州
  • 四川省

  • 雅安市
  • 天津市

  • 市辖区
  • 宁夏回族自治区

  • 中卫市
  • 宁夏回族自治区

  • 吴忠市
  • 宁夏回族自治区

  • 固原市
  • 宁夏回族自治区

  • 石嘴山市
  • 宁夏回族自治区

  • 银川市
  • 安徽省

  • 亳州市
  • 安徽省

  • 六安市
  • 安徽省

  • 合肥市
  • 安徽省

  • 安庆市
  • 安徽省

  • 宣城市
  • 安徽省

  • 宿州市
  • 安徽省

  • 池州市
  • 安徽省

  • 淮北市
  • 安徽省

  • 淮南市
  • 安徽省

  • 滁州市
  • 安徽省

  • 芜湖市
  • 安徽省

  • 蚌埠市
  • 安徽省

  • 铜陵市
  • 安徽省

  • 阜阳市
  • 安徽省

  • 马鞍山市
  • 安徽省

  • 黄山市
  • 山东省

  • 东营市
  • 山东省

  • 临沂市
  • 山东省

  • 威海市
  • 山东省

  • 德州市
  • 山东省

  • 日照市
  • 山东省

  • 枣庄市
  • 山东省

  • 泰安市
  • 山东省

  • 济南市
  • 山东省

  • 济宁市
  • 山东省

  • 淄博市
  • 山东省

  • 滨州市
  • 山东省

  • 潍坊市
  • 山东省

  • 烟台市
  • 山东省

  • 聊城市
  • 山东省

  • 菏泽市
  • 山东省

  • 青岛市
  • 山西省

  • 临汾市
  • 山西省

  • 吕梁市
  • 山西省

  • 大同市
  • 山西省

  • 太原市
  • 山西省

  • 忻州市
  • 山西省

  • 晋中市
  • 山西省

  • 晋城市
  • 山西省

  • 朔州市
  • 山西省

  • 运城市
  • 山西省

  • 长治市
  • 山西省

  • 阳泉市
  • 广东省

  • 东莞市
  • 广东省

  • 中山市
  • 广东省

  • 云浮市
  • 广东省

  • 佛山市
  • 广东省

  • 广州市
  • 广东省

  • 惠州市
  • 广东省

  • 揭阳市
  • 广东省

  • 梅州市
  • 广东省

  • 汕头市
  • 广东省

  • 汕尾市
  • 广东省

  • 江门市
  • 广东省

  • 河源市
  • 广东省

  • 深圳市
  • 广东省

  • 清远市
  • 广东省

  • 湛江市
  • 广东省

  • 潮州市
  • 广东省

  • 珠海市
  • 广东省

  • 肇庆市
  • 广东省

  • 茂名市
  • 广东省

  • 阳江市
  • 广东省

  • 韶关市
  • 广西壮族自治区

  • 北海市
  • 广西壮族自治区

  • 南宁市
  • 广西壮族自治区

  • 崇左市
  • 广西壮族自治区

  • 来宾市
  • 广西壮族自治区

  • 柳州市
  • 广西壮族自治区

  • 桂林市
  • 广西壮族自治区

  • 梧州市
  • 广西壮族自治区

  • 河池市
  • 广西壮族自治区

  • 玉林市
  • 广西壮族自治区

  • 百色市
  • 广西壮族自治区

  • 贵港市
  • 广西壮族自治区

  • 贺州市
  • 广西壮族自治区

  • 钦州市
  • 广西壮族自治区

  • 防城港市
  • 新疆维吾尔自治区

  • 乌鲁木齐市
  • 新疆维吾尔自治区

  • 伊犁哈萨克自治州
  • 新疆维吾尔自治区

  • 克孜勒苏柯尔克孜自治州
  • 新疆维吾尔自治区

  • 克拉玛依市
  • 新疆维吾尔自治区

  • 博尔塔拉蒙古自治州
  • 新疆维吾尔自治区

  • 吐鲁番市
  • 新疆维吾尔自治区

  • 和田地区
  • 新疆维吾尔自治区

  • 哈密市
  • 新疆维吾尔自治区

  • 喀什地区
  • 新疆维吾尔自治区

  • 塔城地区
  • 新疆维吾尔自治区

  • 巴音郭楞蒙古自治州
  • 新疆维吾尔自治区

  • 昌吉回族自治州
  • 新疆维吾尔自治区

  • 自治区直辖县级行政区划
  • 新疆维吾尔自治区

  • 阿克苏地区
  • 新疆维吾尔自治区

  • 阿勒泰地区
  • 江苏省

  • 南京市
  • 江苏省

  • 南通市
  • 江苏省

  • 宿迁市
  • 江苏省

  • 常州市
  • 江苏省

  • 徐州市
  • 江苏省

  • 扬州市
  • 江苏省

  • 无锡市
  • 江苏省

  • 泰州市
  • 江苏省

  • 淮安市
  • 江苏省

  • 盐城市
  • 江苏省

  • 苏州市
  • 江苏省

  • 连云港市
  • 江苏省

  • 镇江市
  • 江西省

  • 上饶市
  • 江西省

  • 九江市
  • 江西省

  • 南昌市
  • 江西省

  • 吉安市
  • 江西省

  • 宜春市
  • 江西省

  • 抚州市
  • 江西省

  • 新余市
  • 江西省

  • 景德镇市
  • 江西省

  • 萍乡市
  • 江西省

  • 赣州市
  • 江西省

  • 鹰潭市
  • 河北省

  • 保定市
  • 河北省

  • 唐山市
  • 河北省

  • 廊坊市
  • 河北省

  • 张家口市
  • 河北省

  • 承德市
  • 河北省

  • 沧州市
  • 河北省

  • 石家庄市
  • 河北省

  • 秦皇岛市
  • 河北省

  • 衡水市
  • 河北省

  • 邢台市
  • 河北省

  • 邯郸市
  • 河南省

  • 三门峡市
  • 河南省

  • 信阳市
  • 河南省

  • 南阳市
  • 河南省

  • 周口市
  • 河南省

  • 商丘市
  • 河南省

  • 安阳市
  • 河南省

  • 平顶山市
  • 河南省

  • 开封市
  • 河南省

  • 新乡市
  • 河南省

  • 洛阳市
  • 河南省

  • 漯河市
  • 河南省

  • 濮阳市
  • 河南省

  • 焦作市
  • 河南省

  • 省直辖县级行政区划
  • 河南省

  • 许昌市
  • 河南省

  • 郑州市
  • 河南省

  • 驻马店市
  • 河南省

  • 鹤壁市
  • 浙江省

  • 丽水市
  • 浙江省

  • 台州市
  • 浙江省

  • 嘉兴市
  • 浙江省

  • 宁波市
  • 浙江省

  • 杭州市
  • 浙江省

  • 温州市
  • 浙江省

  • 湖州市
  • 浙江省

  • 绍兴市
  • 浙江省

  • 舟山市
  • 浙江省

  • 衢州市
  • 浙江省

  • 金华市
  • 海南省

  • 三亚市
  • 海南省

  • 三沙市
  • 海南省

  • 儋州市
  • 海南省

  • 海口市
  • 海南省

  • 省直辖县级行政区划
  • 湖北省

  • 十堰市
  • 湖北省

  • 咸宁市
  • 湖北省

  • 孝感市
  • 湖北省

  • 宜昌市
  • 湖北省

  • 恩施土家族苗族自治州
  • 湖北省

  • 武汉市
  • 湖北省

  • 省直辖县级行政区划
  • 湖北省

  • 荆州市
  • 湖北省

  • 荆门市
  • 湖北省

  • 襄阳市
  • 湖北省

  • 鄂州市
  • 湖北省

  • 随州市
  • 湖北省

  • 黄冈市
  • 湖北省

  • 黄石市
  • 湖南省

  • 娄底市
  • 湖南省

  • 岳阳市
  • 湖南省

  • 常德市
  • 湖南省

  • 张家界市
  • 湖南省

  • 怀化市
  • 湖南省

  • 株洲市
  • 湖南省

  • 永州市
  • 湖南省

  • 湘潭市
  • 湖南省

  • 湘西土家族苗族自治州
  • 湖南省

  • 益阳市
  • 湖南省

  • 衡阳市
  • 湖南省

  • 邵阳市
  • 湖南省

  • 郴州市
  • 湖南省

  • 长沙市
  • 甘肃省

  • 临夏回族自治州
  • 甘肃省

  • 兰州市
  • 甘肃省

  • 嘉峪关市
  • 甘肃省

  • 天水市
  • 甘肃省

  • 定西市
  • 甘肃省

  • 平凉市
  • 甘肃省

  • 庆阳市
  • 甘肃省

  • 张掖市
  • 甘肃省

  • 武威市
  • 甘肃省

  • 甘南藏族自治州
  • 甘肃省

  • 白银市
  • 甘肃省

  • 酒泉市
  • 甘肃省

  • 金昌市
  • 甘肃省

  • 陇南市
  • 福建省

  • 三明市
  • 福建省

  • 南平市
  • 福建省

  • 厦门市
  • 福建省

  • 宁德市
  • 福建省

  • 泉州市
  • 福建省

  • 漳州市
  • 福建省

  • 福州市
  • 福建省

  • 莆田市
  • 福建省

  • 龙岩市
  • 西藏自治区

  • 山南市
  • 西藏自治区

  • 拉萨市
  • 西藏自治区

  • 日喀则市
  • 西藏自治区

  • 昌都市
  • 西藏自治区

  • 林芝市
  • 西藏自治区

  • 那曲市
  • 西藏自治区

  • 阿里地区
  • 贵州省

  • 六盘水市
  • 贵州省

  • 安顺市
  • 贵州省

  • 毕节市
  • 贵州省

  • 贵阳市
  • 贵州省

  • 遵义市
  • 贵州省

  • 铜仁市
  • 贵州省

  • 黔东南苗族侗族自治州
  • 贵州省

  • 黔南布依族苗族自治州
  • 贵州省

  • 黔西南布依族苗族自治州
  • 辽宁省

  • 丹东市
  • 辽宁省

  • 大连市
  • 辽宁省

  • 抚顺市
  • 辽宁省

  • 朝阳市
  • 辽宁省

  • 本溪市
  • 辽宁省

  • 沈阳市
  • 辽宁省

  • 盘锦市
  • 辽宁省

  • 营口市
  • 辽宁省

  • 葫芦岛市
  • 辽宁省

  • 辽阳市
  • 辽宁省

  • 铁岭市
  • 辽宁省

  • 锦州市
  • 辽宁省

  • 阜新市
  • 辽宁省

  • 鞍山市
  • 重庆市

  • 重庆市

  • 市辖区
  • 陕西省

  • 咸阳市
  • 陕西省

  • 商洛市
  • 陕西省

  • 安康市
  • 陕西省

  • 宝鸡市
  • 陕西省

  • 延安市
  • 陕西省

  • 榆林市
  • 陕西省

  • 汉中市
  • 陕西省

  • 渭南市
  • 陕西省

  • 西安市
  • 陕西省

  • 铜川市
  • 青海省

  • 果洛藏族自治州
  • 青海省

  • 海东市
  • 青海省

  • 海北藏族自治州
  • 青海省

  • 海南藏族自治州
  • 青海省

  • 海西蒙古族藏族自治州
  • 青海省

  • 玉树藏族自治州
  • 青海省

  • 西宁市
  • 青海省

  • 黄南藏族自治州
  • 黑龙江省

  • 七台河市
  • 黑龙江省

  • 伊春市
  • 黑龙江省

  • 佳木斯市
  • 黑龙江省

  • 双鸭山市
  • 黑龙江省

  • 哈尔滨市
  • 黑龙江省

  • 大兴安岭地区
  • 黑龙江省

  • 大庆市
  • 黑龙江省

  • 牡丹江市
  • 黑龙江省

  • 绥化市
  • 黑龙江省

  • 鸡西市
  • 黑龙江省

  • 鹤岗市
  • 黑龙江省

  • 黑河市
  • 黑龙江省

  • 齐齐哈尔市