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(三)科恩达效应 - 知乎

admin头像 admin 人格魅力感悟 2024-04-06 19:04:21 48
导读:  科恩达效应(Coandǎeffect)是一种非常重要的流动现象,是升力等问题的终极答案。该效应指的是流体总是倾向于沿着壁面流动这种现象。当壁面弯曲时,流体就会偏离原来的运动方...

  科恩达效应(Coandǎ effect)是一种非常重要的流动现象,是升力等问题的终极答案。该效应指的是流体总是倾向于沿着壁面流动这种现象。当壁面弯曲时,流体就会偏离原来的运动方向,那么是什么力使流体拐弯的呢?

  一般演示科恩达效应时都喜欢使用水流,原因有两个,一个是水流看得见,另一个是水流的科恩达效应比气流明显得多。

  实际上这里是有骗人的成份的,因为处于空气中的水流和气流的科恩达效应虽然现象类似,但原理却是完全不同的。空气中的水流偏向固体壁面的原因是水与固体之间有吸附力,并且水流表面有张力,这两者的共同作用,把水“拉向”壁面,可以理解为水流是被是被固体吸过去的。

  我们知道水的表面张力是很强的,所以水的科恩达效应非常明显,比如,倒葡萄酒时,如果速度不够快,酒就会沿瓶壁流下,这时水会转过180°,简直是蔑视重力。

  把前面的勺子换成圆柱形水杯,可以看到水会沿着杯壁转过很大的角度,甚至会往上流一段,之后才会下落。

(三)科恩达效应 - 知乎

  这种由吸附力和表面张力产生的科恩达效应不是我们讨论的重点,我们下面将重点讨论同一种流体内部存在的科恩达效应,可以是气体,也可以是液体,但不存在自由表面,也就是没有表面张力的情况。

  气流一样存在科恩达效应,但和空气中的水流不同的是,气体之间不存在拉力,而只存在压力。所以,气体中是没有“吸过去”的说法的,感觉上的“吸过去”,其实都是被压过去的,利用的是大气压强。

  但是壁面却仍然可以把气体“吸”过去,从而产生科恩达效应。显然,是因为壁面附近产生了低压,气流是被外侧的大气压过去的。

  可以用向心力来解释壁面附近的气体压强低的现象。当气体沿弯曲的壁面流动时,气流是做曲线运动,这需要一个向心力。因为气体没有吸力,这个向心力只能由气体内部的压力来提供。远离壁面那一侧的气流承受的是大气压强,所以靠近壁面这一侧的压强就应该比大气压强低才能形成向心力。

  解释完了吗?解释完了。

  不过......等等,低压产生了流线弯曲,那低压又是怎么产生的呢?这就需要考虑射流从直到弯的过程是怎么发生的了。也就是说,壁面是怎么把射流“掰弯的”。

  气流中的科恩达效应是气体的粘性产生的。射流的侧面和空气之间有摩擦,这种摩擦就是气体的粘性产生的。射流会不断地把四周原本的静止空气带走,使环境的气压下降。不过,这个压降非常非常地小,小到什么程度呢?速度为30m/s的空气射流只会使附近的环境压强降低约0.5Pa。这点压降按理来说不足以把气流“吸向”壁面,产生明显的科恩达效应。但是,一旦有壁面存在的时候,这个负压是会成倍增加的。

  当射流的一侧有壁面时,受壁面的阻隔,射流带走部分空气后,原来的地方得不到足够的空气补充,当地的压强就会降低,气流则由于两侧的压力不均衡而被压向壁面。或者说,被射流带走的空气更多地靠射流自身来补充了。

  当壁面向外弯曲时,假设一开始气流是水平的,那么气流和壁面之间会暂时存在一个不流动的“死水区”。流动的空气不断地带走死水区的空气,射流则逐步向壁面靠拢,最后射流两侧的压差产生的向心力正好符合射流转弯程度时,流动就达到平衡,射流就沿着弯曲的壁面流动了。

  科恩达效应(有的地方翻译成康达效应)是机翼产生升力的关键。因为机翼的升力主要是靠上表面把空气“吸”向下方而产生的。

  亨利·科恩达(Henri Coandǎ)是罗马尼亚发明家和空气动力学家,他最早对科恩达效应进行了利用。飞机的发明是众多人前赴后继的结果,不能归属与任何一个人,实践者的最高荣誉给了莱特兄弟,理论的先驱可能应该给予科恩达。

  科恩达还是喷气式飞机的先驱,据称科恩达在1910年成功地试飞了一架被称为Coandă-1910的飞机。

  这架飞机并不是带喷气式发动机的喷气飞机,只是没有螺旋桨,在机头处装有一个喷气的粗管子。喷气的来源是一台离心式风机,通过外壳把气流导向后方来获得推力。下面是科恩达申请的一项美国专利中的附图,感兴趣的可以研究一下空气的流路。

  利用科恩达效应可以增加飞行器的升力,但这些增加升力的方法中也掺杂了一些伪科学。比如下图就是一种号称能增加升力的科恩达飞行器,本来螺旋桨就可以让它悬停,现在,在螺旋桨下方加了壳体,号称是利用科恩达效应带动更多的空气向下来增加升力。其实这是得不偿失的,因为总的来说壳体起到的是阻碍气流的作用,只会减小升力。

  机翼升力的原理虽然很吸引人,但并不好解释,有了伯努利定律和科恩达效应的知识,再加上牛顿定律,我们后面就可以分析机翼上的升力了。(小朱注:详见本专栏第四篇文章——升力的原理)

  原作:王洪伟

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