Efecto Coandă

Para comparar el experimento con un modelo teórico, se considera un chorro plano bidimensional de ancho ( h ) que fluye a lo largo de una pared circular de radio ( r ). Este chorro sigue una pared horizontal plana, digamos de radio infinito, o mejor dicho, cuyo radio es el radio de la Tierra, sin separación, ya que la presión superficial y la presión externa en la zona de mezcla son iguales a la presión atmosférica en todas partes y la capa límite no se separa de la pared.

Con un radio mucho menor (12 centímetros en la imagen de la derecha) , surge una diferencia transversal entre las presiones externas y superficiales 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 anterior y posterior al origen del chorro, donde se desarrolla 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 anula).

Los experimentos realizados en 1956 con chorros de aire turbulentos a un número de Reynolds de 10⁶ ^y diferentes anchos de chorro ( h ) muestran las presiones medidas a lo largo de un radio de pared curva circular ( r ) a una serie de distancias horizontales desde el origen del chorro (véase el diagrama de la derecha). ^{[ 11 ] [ 12 ]}

Por encima de una relación h / r crítica de 0,5, solo se observan 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 observa un efecto Coandă, sino solo una adhesión local: aparece una presión menor que la atmosférica 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 alcanzar la presión atmosférica en la separación de la capa límite, sujeta a este gradiente longitudinal positivo. Sin embargo, si la relación h / r es menor que el valor crítico de 0,5, la presión menor que la ambiental medida en la pared en el origen del chorro continúa a lo largo de la pared (hasta que la pared termina; véase 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 ⁠ 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.

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 obtenida recientemente, ^{[ 14 ]} 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 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 ambiente final y una presión superficial menor a lo largo de la pared. Según Van Dyke, ^{[ 15 ]} como se cita en Lift , la derivación de su ecuación (4c) también muestra que la contribución de la tensión viscosa al giro del flujo es despreciable.

Una 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 proporciona el ángulo de separación en función de h / r y el número de Reynolds: ^{[ 12 ]} Los resultados se muestran en la imagen, por ejemplo, 54° calculados en lugar de 60° medidos para h / r = 0,25. Sería deseable realizar más experimentos y obtener 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 las relaciones críticas ⁠ h / r ⁠ para números de Reynolds pequeños son mucho menores que las de un flujo turbulento. ^{[ 16 ]} hasta ⁠ h / r ⁠ = 0,14 con un número de Reynolds de 500 y ⁠ h / r ⁠ = 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 h / r y el ángulo θ . Además, en el caso de un chorro libre , la ecuación se puede resolver de forma cerrada, proporcionando la distribución de velocidad a lo largo de la pared circular. La distribución de presión superficial se calcula entonces utilizando la ecuación de Bernoulli. Denotemos la presión ( pa ₎ y la velocidad ( va ₎ 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, la velocidad ( v ) se encuentra como:

${\displaystyle {\frac {v}{v_{\mathrm {a} }}}=\exp \left({\frac {2h}{\pi r}}\arctan {\sqrt {\sinh ^{2}\left({\frac {\pi \theta r}{4h}}\right)-\cosh ^{2}\left({\frac {\pi \theta r}{4h}}\right)\tanh ^{2}\left({\frac {\pi \gamma r}{4h}}\right)}}\,\right)}$

Se ha establecido 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 el mismo ángulo θ que los encontrados para el chorro de pared que se muestra en la imagen de la derecha: puede consultarse en la referencia (15), pág. 104 , 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 de 1959 realizados por Bourque y Newmann ^{[ 17 ]} sobre la readhesión de un chorro turbulento bidimensional a una placa paralela desplazada tras 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 placa plana inclinada en ángulo en lugar de la pared curva circular 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 readhesiona 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 afirmación 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 a continuación.

En ambos casos se midieron debidamente la distribución de la presión superficial, así como la distancia de reenganche, y se desarrollaron dos teorías aproximadas para la presión media dentro de la burbuja de separación, la posición de reenganche 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 "curvado" 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 góndola sobre el ala produce mayor sustentación al aumentar drásticamente el gradiente de velocidad en el flujo de cizallamiento en la capa límite. En este gradiente de velocidad, las partículas son expulsadas de la superficie, reduciendo así 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 dedicó un tiempo considerable a investigar el efecto, lo que llevó a una serie de aeronaves tipo aerodeslizador "de adentro hacia afuera" de las cuales el aire salía en un anillo alrededor del exterior de la aeronave y era dirigido al ser "adherido" a un anillo tipo flap.

Esto contrasta con el diseño tradicional de un aerodeslizador, en el que el aire se sopla hacia un área central, el plenum , y se dirige hacia abajo mediante una "falda" de tela. Solo 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 pretendía aprovechar el efecto Coandă para proporcionar sustentación y empuje a partir de un único "turborómetro" que expulsaba los gases de escape por el borde del avión en forma de disco para proporcionar el rendimiento previsto similar al de un VTOL. En el aire, se habría parecido a un platillo volador . 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 destinado a alcanzar velocidades entre Mach  3 y Mach  4. ^{[ 22 ]} Los documentos del proyecto permanecieron clasificados hasta 2012.

Este efecto también se implementó durante el proyecto de Transporte STOL Medio Avanzado (AMST) de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos . Varias aeronaves, en particular el Boeing YC-14 (el primer modelo moderno en explotar este efecto), el avión de investigación de corto alcance silencioso de la NASA y el avión de investigación Asuka del Laboratorio Aeroespacial Nacional de Japón , se construyeron para aprovechar este efecto, montando turbofanes en la parte superior de las alas para proporcionar aire a alta velocidad incluso a bajas velocidades de vuelo. Sin embargo, hasta la fecha, solo una aeronave ha entrado en producción utilizando este sistema a gran escala: el Antonov An-72 . El hidroavión Shin Meiwa US-1A utiliza un sistema similar, solo que dirige el flujo de aire de sus cuatro motores turbohélice sobre la parte superior del ala para generar sustentación a baja velocidad. De manera aún más singular, incorpora un quinto motor turboeje dentro de la sección central del ala exclusivamente para proporcionar aire a los potentes flaps soplados . La adición de estos dos sistemas le otorga a la aeronave una impresionante capacidad STOL.

El McDonnell Douglas YC-15 experimental y su derivado de producción, el Boeing C-17 Globemaster III , también emplean este efecto. El helicóptero NOTAR reemplaza el rotor de cola de hélice convencional con una cola de efecto Coandă (diagrama de la izquierda).

Una mejor comprensión del efecto Coandă fue proporcionada por la literatura científica producida por el proyecto ACHEON EU FP7. ^{[ 23 ]} Este proyecto utilizó una tobera simétrica particular para producir un modelo 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 turbomáquinas, con el objetivo de optimizar mejor la forma de las palas giratorias mediante el trabajo del Centro de Investigación Comoti de Rumania en turbomáquinas. ^{[ 29 ] [ 30 ]}

Una aplicación práctica del efecto Coandă se encuentra en las rejillas inclinadas de las centrales hidroeléctricas ^{[ 31 ]} , que separan los residuos, peces, etc., del flujo de entrada a las turbinas. Debido a la pendiente, los residuos caen de las rejillas sin necesidad de limpieza mecánica, y gracias a que los alambres de la rejilla optimizan el efecto Coandă, el agua fluye a través de ella hacia las tuberías forzadas que la conducen a las turbinas.

El efecto Coandă se utiliza en dispensadores de fluidos de doble patrón en los limpiaparabrisas 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 se reincorpora a la corriente principal, provocando que se divida de nuevo, pero en dirección a la segunda isla. Este proceso se repite mientras el líquido circula por la cámara, generando una oscilación autoinducida directamente proporcional a la velocidad del líquido y, por consiguiente, 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 indica el volumen que pasa a través de ella. ^{[ 33 ]}

En climatización , el efecto Coandă se aprovecha para aumentar el alcance de un difusor de techo . Debido a que el efecto Coandă provoca que el aire descargado del difusor se adhiera al techo, recorre una mayor distancia antes de caer con la misma velocidad de descarga que si el difusor estuviera instalado al aire libre, sin la barrera del techo. Una menor velocidad de descarga se traduce en menores niveles de ruido y, en el caso de sistemas de climatización de volumen de aire variable (VAV), permite mayores relaciones de modulación . Los difusores lineales y los difusores de ranura , que presentan una mayor longitud de contacto con el techo, muestran 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 excéntrica son atraídos y dispersados ​​a lo largo de las superficies adyacentes de la pared de la aurícula izquierda (los llamados "chorros pegados a la pared" como se observa en la interrogación ecocardiográfica Doppler color). Esto es clínicamente relevante porque el área visual (y por lo tanto la gravedad) de estos chorros pegados a la pared excéntrica a menudo se subestima en comparación con los chorros centrales más fácilmente aparentes. En estos casos, se prefieren los métodos volumétricos como el método del área de superficie de isovelocidad proximal (PISA) para cuantificar la gravedad de la regurgitación 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 Transilvanos , 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 de Big Delta en Alaska. ^{[ 38 ]}

En la Fórmula Uno , el efecto Coandă ha sido aprovechado por los equipos McLaren, Sauber, Ferrari y Lotus, tras su introducción por primera vez por Adrian Newey (Red Bull Team) en 2011, para redirigir los gases de escape hacia el difusor trasero con el fin de aumentar la carga aerodinámica en la parte posterior del coche. ^{[ 39 ]} Debido a los cambios en la normativa establecidos por la FIA desde el inicio de la temporada 2014 de Fórmula Uno , la redirección de los gases de escape para aprovechar el efecto Coandă se ha visto anulada, debido al requisito obligatorio de que el escape del coche no tenga ningún elemento de la carrocería destinado a contribuir al efecto aerodinámico situado directamente detrás del mismo. ^{[ 40 ]}

En fluidodinámica , el efecto Coandă se utilizó para construir multivibradores biestables , donde el flujo de trabajo (aire comprimido) se adhería a una pared curva u otra, y unas vigas de control podían conmutar el flujo entre las paredes.

El efecto Coandă también se utiliza para mezclar dos fluidos diferentes en un mezclador. ^{[ 41 ] [ 42 ]}