康达效应

康达效应

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)有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。

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    康达效应
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    升力的成因

发现

比用引射产生升力更科幻的是所谓 Coanda 效应。亨利·康达发明的一架飞机(康达-1910)曾经因这种效应坠毁,之后他便致力这方面的研究。亨利·康达在着名工程师居斯塔夫·埃菲尔(Gustav Effel)(就是设计埃菲尔铁塔和纽约自由女神结构的那个Effel)的支持下,开始研究流体力学,发现了所谓边界层吸附效应(boundary layer attachment,也称射流效应),通常也称 Coanda 效应(所以也有直译为康达效应的)。Coanda 效应指出,如果平顺地流动的流体经过具有一定弯度的凸表面的时候,有向凸表面吸附的趋向。开自来水的时候,如果手指碰到水柱,水会沿着手指的弯曲表面流动到手指下部,而不是按重力方向从龙头直线往下流。

套用

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。

康达效应

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)计画的由来。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,但这时国防部採购政策正在助理国防部长David Packard 手裏大刀阔斧地改革,AMST计画最终被取消了。波音YC-14的上表面吹气增升(Upper Surface Blowing,简称USB,不是电脑上的那个USB)最终墙裏开花墙外香,被安东诺夫用到安-72 上,后者成为第一架採用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,飞行控製就显得力不从心,飞行稳定性没法解决,最后下马了,留下一段飞碟的佳话。

柯恩达效应飞行器

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,不过不佔大比重。

实验演示

开启水龙头,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裏效应(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。

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