[科普中国]-康达效应

简介

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）由离开本来的流动方向，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，流体会顺着物体表面流动。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，并且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，就会被迫朝目前的方向发展。1

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。2

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。3

在喷嘴开始流过该表面的点处的表面上的小的“唇”（参见左图中的图5）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。4

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。5

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。6