Hiệu ứng coanda Khí động lực học

Hiệu ứng Coanda do nhà bác học Henri Coanda phát hiện. Đó là hiệu ứng xảy ra khi một dòng chất lỏng (hoặc dòng khí) chuyển động trên một bề mặt cong thì dòng chất lỏng (khí) này có xu hướng chuyển động theo biên dạng của bề mặt cong đó thay vì chuyển động theo hướng thẳng. Hiệu ứng Coanda phụ thuộc vào số Re và tỷ số hr là tỷ số giữa chiều rộng và bán kính cong của mặt xét. Với dòng chảy tầng hiện tượng Coanda không xuất hiện. Để có hiện tượng thì tỷ số hr khá nhỏ so với dòng chảy rối. Ví dụ : h r = 0,14 nếu Re = 500 và h r = 0,05 nếu Re = 100. Hiệu ứng này trong thời gian gần đây đã được áp dụng vào sản xuất điều hòa nhiệt độ. Vận dụng hiện tượng Coanda để điều khiển luồng gió chuyển động sát bề mặt của tường hoặc trần trong phòng giảm thiểu luồng gió thổi trực tiếp vào cơ thể.Các model điều hòa sẽ ứng dụng hiệu ứng Coanda sẽ đưa luồng gió đi xa dọc theo trần nhà, tuần hoàn để làm mát gian phòng lớn trong thời gian ngắn.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC BÀI TẬP LỚN KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC II ĐỀ TÀI: HIỆU ỨNG COANDA SV thực GV hướng dẫn NGUYỄN T.THIÊN TRANG 20153886 LÊ PHẠM HÙNG ANH 20150066 PGS.TS HOÀNG THỊ KIM DUNG HÀ NỘI 05-2019 Mục lục CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HIỆU ỨNG COANDA .3 Giới thiệu: Điều kiện tồn tại: CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG HIỆU ỨNG COANDA Ứng dụng điều hòa nhiệt độ: Ứng dụng biên dạng cánh MB Coanda UAV: .11 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HIỆU ỨNG COANDA Giới thiệu: Hiệu ứng Coanda nhà bác học Henri Coanda phát Đó hiệu ứng xảy dịng chất lỏng (hoặc dịng khí) chuyển động bề mặt cong dịng chất lỏng (khí) có xu hướng chuyển động theo biên dạng bề mặt cong thay chuyển động theo hướng thẳng Dòng nước từ vòi chảy theo biên dạng thìa Hiệu ứng Coanda phụ thuộc vào số Re tỷ số h/r tỷ số chiều rộng bán kính cong mặt xét Với dịng chảy tầng tượng Coanda khơng xuất Để có tượng tỷ số h/r nhỏ so với dịng chảy rối Ví dụ : h / r = 0,14 Re = 500 h / r = 0,05 Re = 100 Điều kiện tồn tại: Trước hết, ta cần đề cập đến khái niệm “Wall jet” Có thể hiểu đơn giản bề mặt cong mà dịng khí (chất lỏng) chảy theo Trong mơi trường xung quanh tự do, luồng chất lỏng xâm nhập hịa trộn với mơi trường xung quanh chảy từ vòi Khi bề mặt đưa đến gần dòng chảy, điều hạn chế ràng buộc khu vực Khi dịng chảy tăng tốc để cố gắng cân chuyển động lượng, có chênh lệch áp suất phản lực phản lực bị lệch gần bề mặt - cuối gắn vào Dịng chảy trạng thái bình thường Đặt Wall jet vào cạnh dòng chảy Dòng chất chảy theo Wall jet Wall jet có thơng số chiều rộng h bán kính cong r Sự khác biệt ngang phát sinh áp lực bề mặt bên wall jet tạo độ dốc áp suất phụ thuộc vào h/r -độ cong tương đối Độ dốc áp suất xuất vùng trước sau nguồn gốc phản lực nơi phát sinh biến điểm mà lớp ranh giới phản lực tách khỏi tường, nơi áp suất tường đạt đến áp suất khí (và độ dốc ngang trở thành không ) Đồ thị mối quan hệ tỷ lệ h/r áp suất Các phép đo áp suất bề mặt dọc theo tường cong trịn bán kính r = 12 cm, chiều rộng h, dòng chảy rối R= làm lệch hướng dòng chảy Áp suất bắt đầu giảm khí khỏi vòi phun Nếu độ cong tương đối < 0.5 tượng Coanda xảy Áp suất giảm đến chạm cuối tường áp suất áp suất môi trường Nếu tỷ lệ h / r lớn 0,5, có hiệu ứng cục xảy điểm gốc vịi phun, sau dịng tách khỏi tường khơng có hiệu ứng Coanda Đồ thị ổn định với h = 10, 15, 20, 30, 40mm Một tính tốn tiến hành với vịi phun chiều rộng h, bán kính r, chiều cao khe thoát b, điểm tiếp xúc A, điểm tách dịng B, góc lệch dây cung AB Sự phân bố áp suất bề mặt sau tính tốn phương trình Bernoulli Dễ dàng thấy trường áp suất tạo buộc dòng chảy từ vòi phun bám vào bề mặt Các giới hạn thực tế việc sử dụng hiệu ứng Coanda hiểu mức độ định cách xem xét trạng thái cân xun tâm phần tử dịng chảy, ta có phương trình: (1) Trong đó: p áp suất lớp ranh giới phản lực (thẳng, phản lực tường) phát từ khe vịi phun; r khoảng cách xuyên tâm từ tâm cong bề mặt; là mật độ chất lỏng V tốc độ dòng chảy cục Ban đầu, cho dòng chảy xung quanh bề mặt cong dịng kín để tn theo phương trình Bernoulli: (2) Trong đó: áp lực đình trệ dịng chảy phát từ vịi phun Thay vào công thức (1) xếp lại ta được: (3) Trong đó: tốc độ dịng chảy (kín) dọc theo tường bán kính cong bề mặt Sau theo phương trình (1) gần khe thoát, áp suất tường đưa bởi: Với: áp lực xung quanh bên ngồi dịng Coanda Ta thấy từ phương trình (4) lớn áp suất thành giảm xuống Trong dòng chảy nhớt thực tế, tốc độ dòng chảy trung bình có xu hướng giảm theo khoảng cách xung quanh bề mặt, khiến áp suất thành tăng theo khoảng cách xung quanh bề mặt, tạo độ dốc áp suất bất lợi phân tách cuối Hiệu ứng tăng cường cho giá trị lớn , đó, chiều cao khe vịi phun b phải giữ nhỏ tốt CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG HIỆU ỨNG COANDA Ứng dụng điều hòa nhiệt độ: Hiệu ứng thời gian gần áp dụng vào sản xuất điều hòa nhiệt độ Vận dụng tượng Coanda để điều khiển luồng gió chuyển động sát bề mặt tường trần phịng giảm thiểu luồng gió thổi trực tiếp vào thể.Các model điều hòa ứng dụng hiệu ứng Coanda đưa luồng gió xa dọc theo trần nhà, tuần hồn để làm mát gian phịng lớn thời gian ngắn https://youtu.be/prc0garKw4U Ứng dụng biên dạng cánh MB Dịng khí qua cánh chảy theo biên dạng cánh Hình miêu tả ảnh hưởng góc đến hiệu ứng Coanda:  Góc 0: dịng khí bám vào biên dạng cánh, chưa có nhiều áp suất chênh lệch  Khi góc tăng đến giá trị định, dịng khí khơng cịn bám vào biên dạng cánh gây tượng xâm thực Sơ đồ cho thấy việc tăng góc làm tăng lượng khơng khí bị lệch xuống Nếu góc q lớn, luồng khơng khí khơng cịn theo đường cong cánh Như thể sơ đồ, điều tạo khoảng trống nhỏ sau cánh Khi khơng khí ùa vào để lấp đầy khơng gian này, gọi xâm thực, gây rung động nặng nề cánh làm giảm đáng kể hiệu cánh Vì lý này, cánh máy bay thường có góc cạnh giống cánh sơ đồ Cánh có hiệu hướng luồng khơng khí xuống, từ đẩy lên cánh, tạo lực nâng Việc điều khiển máy bay trúc ngóc hay liệng qua điều khiển dựa vào tượng Hiệu ứng Coanda áp dụng để trì hỗn phân tách bề mặt Trailing Edge (TE) Việc thổi thường cung cấp ống dẫn khí từ động Định vị cẩn thận bề mặt flap so với dịng phản lực bề mặt cánh cho phép hiệu ứng Coanda làm cho dòng phản lực thổi bám vào bề mặt flap bị lệch xuống 60 độ giúp tăng cường đáng kể lưu thông xung quanh cánh Một phiên “extreme” ngun tắc Coanda mơ tả hình đây, sử dụng vestigial flap Sự xếp đơi tìm thấy Trailing Edge flap thông thường Mặc dù thuật ngữ máy bay phản lực áp dụng cho thiết bị này, khơng xác; chí áp dụng cho hệ thống blownflap nói chung Ở đây, dùng thuật ngữ “jet flap” trực tiếp cho trường hợp khơng khí thổi mạnh đến mức siêu âm Sự xếp tìm thấy máy bay chiến đấu với cánh nhỏ, chẳng hạn Lockheed F-104 Starfighter, Mig-21 PFM McDonnell Douglas F-4 Phantom, cách để tăng lực nâng tốc độ thấp, làm giảm tốc độ hạ cánh Khơng khí thổi từ máy nén động thổi qua Trailing Edge Các cánh thổi luồng (internally blown flaps) cho hiệu suất tốt hệ thống tạo lực nâng nào, thổi bề mặt hiệu Sự xếp sử dụng phiên khác máy bay vận tải Antonov An 72/74 Một hệ thống hiệu chút cánh thổi bên (externally blown flap ), phiên sử dụng máy bay vận tải hạng nặng Boeing C-17 Globemaster Coanda UAV: Thiết kế phần thân UAV dạng bán cầu, bên rỗng nơi đặt thiết bị khác Gắn chong chóng phía trên, bao quanh chong chóng hình vịng trịn Vành ngồi hạn chế phân tán luồng khí từ cánh quạt, dẫn dịng khí chảy theo biên dạng cầu, lực đẩy tập chung lại Thiết kế hạn chế, bảo vệ chong chóng khỏi va đập Ngun lý hoạt động: Dịng khí theo chiều ngang từ khe tròn gần đỉnh cầu Một bước nhỏ cạnh khe đảm bảo xoáy áp suất thấp phát triển bên điểm mà chất lỏng thoát khỏi khe Từ đó, hiệu ứng Coanda làm cho chất khí bám vào bề mặt cong động Việc đưa chất khí xung quanh vào dịng chảy qua hình cầu, gây vùng áp suất thấp phía Điều này, với áp suất bên cao gây lực nâng, hoặc, gắn theo chiều ngang, chuyển động phía trước theo hướng đỉnh hình cầu 10 Sơ đồ động chung khai thác Hiệu ứng Coanda để tạo lực nâng (hoặc chuyển động phía trước nghiêng 90 ° phía nó) Hình dạng tổng thể Coanda UAV 11 Coanda UAV Phân bố vận tốc vật thể: 12 Trực thăng khơng chong chóng đi: NOTAR phát triển McDonnell Douglas Helicopter Systems, “No tail rotor” bao gồm cánh quạt kèm theo khớp nối điều khiển hệ truyền động chính, hộp điều khiển tuần hồn khí, lực đẩy trực tiếp, phận ổn định thẳng Hệ thống sử dụng quạt bên ống xả để tạo luồng khơng khí áp suất 13 thấp, thoát qua hai khe tạo luồng khơng khí lớp biên dọc theo xe sử dụng hiệu ứng Coanda Lớp ranh giới thay đổi hướng luồng khơng khí xung quanh đi, tạo lực đẩy đối diện với chuyển động truyền vào thân máy baybởi hiệu ứng mơ-men xoắn rơto Điều khiển ngáp định hướng có thơng qua trống quay có lỗ thơng cuối đi, gọi máy đẩy phản lực trực tiếp Những người ủng hộ NOTAR tin hệ thống cung cấp hoạt động yên tĩnh an toàn so với cánh quạt đuôi truyền thống Kết luận Hiệu ứng Coanda khơng có ứng dụng quan trọng việc thiết kế điều hịa giúp dịng khí làm mát hiệu hơn, hiệu ứng cịn có ứng dụng đặc biệt với thiết bị tăng cường lực nâng khác máy bay, uốn cong dịng khơng khí di chuyển cánh phía mặt đất cách sử dụng flap động phản lực thổi bề mặt cong tăng lực nâng Lực nâng cánh tăng dịng khí cánh gia tốc động xả vận tốc cao Chính kết hợp lực đẩy động cơ, lực nâng khí 14 động truyền thống lực nâng đẩy tăng cường, làm tăng hiệu hiệu ứng mặt thoáng Việc tăng lực nâng giúp làm giảm tiêu hao nhiên liệu, điều hữu ích tính đến vấn đề kinh tế 15 ... Coanda UAV: .11 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HIỆU ỨNG COANDA Giới thiệu: Hiệu ứng Coanda nhà bác học Henri Coanda phát Đó hiệu ứng xảy dịng chất lỏng (hoặc dịng khí) chuyển động bề... cong tăng lực nâng Lực nâng cánh tăng dịng khí cánh gia tốc động xả vận tốc cao Chính kết hợp lực đẩy động cơ, lực nâng khí 14 động truyền thống lực nâng đẩy tăng cường, làm tăng hiệu hiệu ứng mặt... CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HIỆU ỨNG COANDA .3 Giới thiệu: Điều kiện tồn tại: CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG HIỆU ỨNG COANDA Ứng dụng điều hòa nhiệt độ: Ứng dụng biên