Coandă-Effekt
Der Coandă-Effekt (/ˈkwɑːndə/ oder /ˈkwæ-/) bezeichnet die Tendenz eines Flüssigkeitsstrahls, an einer konvexen Oberfläche haften zu bleiben. Sie ist nach dem rumänischen Erfinder Henri Coandă benannt. Merriam-Webster beschreibt sie als "die Tendenz eines aus einer Öffnung austretenden Flüssigkeitsstrahls, einer angrenzenden flachen oder gekrümmten Oberfläche zu folgen und Flüssigkeit aus der Umgebung mitzureißen, so dass ein Bereich mit niedrigerem Druck entsteht." ⓘ
Coandă war der erste, der um 1910 die praktische Anwendung dieses Phänomens in der Flugzeugkonstruktion erkannte. Es wurde erstmals ausdrücklich in zwei Patenten aus dem Jahr 1936 dokumentiert. ⓘ
Eine genaue Definition und die Abgrenzung zum Bernoulli-Effekt sind schwierig. In der wissenschaftlichen Literatur wird der Begriff selten verwendet. ⓘ
Entdeckung
Eine frühe Beschreibung dieses Phänomens wurde von Thomas Young in einem Vortrag vor der Royal Society im Jahr 1800 gegeben:
Der seitliche Druck, der die Flamme einer Kerze gegen den Luftstrom eines Blasrohrs drängt, ist wahrscheinlich genau dem Druck ähnlich, der die Biegung eines Luftstroms in der Nähe eines Hindernisses erleichtert. Beachte die Vertiefung, die ein dünner Luftstrom auf der Wasseroberfläche erzeugt. Bringt man einen gewölbten Körper mit der Seite des Stroms in Berührung, so wird man an der Stelle der Vertiefung sofort sehen, dass die Strömung zum Körper hin abgelenkt wird; und wenn der Körper die Freiheit hat, sich in jede Richtung zu bewegen, wird er in Richtung der Strömung gedrängt... ⓘ
Hundert Jahre später entdeckte Henri Coandă eine Anwendung dieses Effekts bei Experimenten mit seinem Flugzeug Coandă-1910, das mit einem von ihm entwickelten ungewöhnlichen Motor ausgestattet war. Die vom Motor angetriebene Turbine drückte heiße Luft nach hinten, und Coandă bemerkte, dass der Luftstrom von nahe gelegenen Oberflächen angezogen wurde. 1934 erhielt Coandă in Frankreich ein Patent für ein "Verfahren und eine Vorrichtung zur Ablenkung eines Fluids in ein anderes Fluid". Der Effekt wurde als "Ablenkung eines flachen Flüssigkeitsstrahls, der in der Nähe einer konvexen Wand in eine andere Flüssigkeit eindringt" beschrieben. Die ersten offiziellen Dokumente, in denen der Coandă-Effekt ausdrücklich erwähnt wird, sind zwei Patente von Henri Coandă aus dem Jahr 1936. Dieser Name wurde von dem führenden Aerodynamiker Theodore von Kármán übernommen, der mit Coandă eine lange wissenschaftliche Beziehung zu Problemen der Aerodynamik pflegte. ⓘ
Mechanismus
Ein freier Luftstrahl reißt Luftmoleküle aus seiner unmittelbaren Umgebung mit, wodurch eine achsensymmetrische "Röhre" oder "Hülse" mit niedrigem Druck um den Strahl herum entsteht (siehe Diagramm 1). Die sich aus diesem Unterdruckrohr ergebenden Kräfte gleichen schließlich jede Instabilität der senkrechten Strömung aus, wodurch der Strahl in einer geraden Linie stabilisiert wird. Befindet sich jedoch eine feste Oberfläche in der Nähe und ungefähr parallel zur Düse (Diagramm 2), dann führt das Mitreißen (und damit die Entfernung) von Luft zwischen der festen Oberfläche und der Düse zu einer Verringerung des Luftdrucks auf dieser Seite der Düse, die nicht so schnell ausgeglichen werden kann wie der Niederdruckbereich auf der "offenen" Seite der Düse. Der Druckunterschied auf der Düsenseite führt dazu, dass der Strahl in Richtung der nahe gelegenen Oberfläche abweicht und dann an ihr haften bleibt (Diagramm 3). An gekrümmten Oberflächen haftet der Strahl noch besser (Diagramm 4), da jede (infinitesimal kleine) Richtungsänderung der Oberfläche die für die anfängliche Biegung des Strahls zur Oberfläche beschriebenen Effekte bewirkt. Wenn die Oberfläche nicht zu stark gekrümmt ist, kann der Strahl unter den richtigen Umständen auch nach einer Umströmung einer zylindrisch gekrümmten Oberfläche um 180° an der Oberfläche haften bleiben und sich somit in eine Richtung bewegen, die seiner ursprünglichen Richtung entgegengesetzt ist. Die Kräfte, die diese Änderungen in der Strömungsrichtung des Strahls verursachen, bewirken eine gleich große und entgegengesetzte Kraft auf der Oberfläche, an der der Strahl entlangfließt. Diese durch den Coandă-Effekt induzierten Kräfte können je nach Ausrichtung des Strahls und der Oberfläche, an der der Strahl haftet, für Auftrieb und andere Formen der Bewegung genutzt werden. Eine kleine "Lippe" auf der Oberfläche an dem Punkt, an dem der Strahl beginnt, über diese Oberfläche zu fließen (Diagramm 5), verstärkt die anfängliche Abweichung der Strömungsrichtung des Strahls, und er haftet anschließend an der Oberfläche. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich hinter der Lippe ein Niederdruckwirbel bildet, der das Eintauchen des Strahls in Richtung Oberfläche fördert. ⓘ
Der Coandă-Effekt kann in jedem Fluid ausgelöst werden und ist daher in Wasser ebenso wirksam wie in Luft. Ein beheiztes Profil verringert den Luftwiderstand erheblich. ⓘ
Bedingungen der Existenz
Frühe Quellen liefern sowohl theoretische als auch experimentelle Informationen, die erforderlich sind, um durch Vergleich eine detaillierte Erklärung des Coandă-Effekts und seiner Grenzen abzuleiten. Der Coandă-Effekt kann entlang einer gekrümmten Wand entweder in einem Freistrahl oder in einem Wandstrahl auftreten. ⓘ
Auf dem linken Bild des vorangegangenen Abschnitts: "Der Mechanismus des Coanda-Effekts" wird der Effekt in den Worten von T. Young als "der seitliche Druck, der die Biegung eines Luftstroms in der Nähe eines Hindernisses erleichtert" beschrieben und stellt einen Freistrahl dar, der aus einer Öffnung und einem Hindernis in der Umgebung austritt. Er umfasst die Tendenz eines aus einer Öffnung austretenden Freistrahls, Flüssigkeit aus der Umgebung mitzureißen, die nur begrenzt zugänglich ist, ohne dass sich ein Bereich niedrigeren Drucks entwickelt, wenn kein Hindernis in der Umgebung vorhanden ist, wie es auf der gegenüberliegenden Seite der Fall ist, wo eine turbulente Vermischung bei Umgebungsdruck stattfindet. ⓘ
In der rechten Abbildung tritt der Effekt entlang der gekrümmten Wand als Wandstrahl auf. Das Bild hier rechts stellt einen zweidimensionalen Wandstrahl zwischen zwei parallelen, ebenen Wänden dar, wobei das "Hindernis" ein viertelzylindrischer Abschnitt ist, der sich an die flache, horizontale, rechteckige Öffnung anschließt, so dass überhaupt kein Fluid aus der Umgebung entlang der Wand mitgerissen wird, sondern nur auf der gegenüberliegenden Seite in turbulenter Vermischung mit der Umgebungsluft. ⓘ
Wandstrahl
Um das Experiment mit dem theoretischen Modell zu vergleichen, wird ein zweidimensionaler ebener Wandstrahl der Breite (h) entlang einer kreisförmigen Wand mit dem Radius (r) herangezogen. Ein Wandstrahl folgt einer flachen horizontalen Wand mit unendlichem Radius, oder besser gesagt, dessen Radius dem Radius der Erde entspricht, ohne sich zu trennen, da der Oberflächendruck sowie der Außendruck in der Mischungszone überall gleich dem atmosphärischen Druck ist und die Grenzschicht sich nicht von der Wand trennt. ⓘ
Bei einem viel kleineren Radius (12 Zentimeter in der Abbildung rechts) entsteht ein Querunterschied zwischen dem Außendruck und dem Oberflächendruck des Strahls an der Wand, wodurch ein Druckgradient in Abhängigkeit von h/r, der relativen Krümmung, entsteht. Dieser Druckgradient kann in einer Zone vor und nach dem Ursprung des Strahls auftreten, wo er allmählich zunimmt, und an dem Punkt verschwinden, an dem sich die Strahlgrenzschicht von der Wand trennt, wo der Wanddruck den atmosphärischen Druck erreicht (und der Quergradient Null wird). ⓘ
Experimente aus dem Jahr 1956 mit turbulenten Luftstrahlen bei einer Reynoldszahl von 106 und verschiedenen Strahlbreiten (h) zeigen die Drücke, die entlang eines kreisförmig gekrümmten Wandradius (r) in einer Reihe von horizontalen Abständen vom Ursprung des Strahls gemessen wurden (siehe das Diagramm rechts). ⓘ
Oberhalb eines kritischen h/r-Verhältnisses von 0,5 sind nur lokale Effekte am Ursprung des Strahls zu sehen, die sich über einen kleinen Winkel von 18° entlang der gekrümmten Wand erstrecken. Der Strahl trennt sich dann sofort von der gekrümmten Wand. Es handelt sich also nicht um einen Coandă-Effekt, sondern nur um eine lokale Aufhängung: An der Wand entsteht ein Druck, der kleiner ist als der Atmosphärendruck, und zwar über eine Strecke, die einem kleinen Winkel von 9° entspricht, gefolgt von einem gleichen Winkel von 9°, in dem dieser Druck bis zum Atmosphärendruck bei der Trennung der Grenzschicht ansteigt, und zwar unter diesem positiven Längsgefälle. Ist das Verhältnis h/r jedoch kleiner als der kritische Wert von 0,5, so setzt sich der am Ursprung des Strahls gemessene Druck, der niedriger als der Umgebungsdruck ist, entlang der Wand fort (bis zum Ende der Wand - siehe Diagramm rechts). Dies ist ein "echter Coandă-Effekt", da der Strahl wie bei einem herkömmlichen Wandstrahl "bei nahezu konstantem Druck" an der Wand haften bleibt. ⓘ
Eine 1954 von Woods durchgeführte Berechnung einer nicht viskosen Strömung entlang einer kreisförmigen Wand zeigt, dass eine nicht viskose Lösung mit beliebiger Krümmung h/r und beliebigem Ablenkungswinkel bis zu einem Trennungspunkt an der Wand existiert, an dem ein singulärer Punkt mit einer unendlichen Steigung der Oberflächendruckkurve auftritt. ⓘ
Wenn man in die Berechnung den in den vorangegangenen Experimenten gefundenen Trennungswinkel für jeden Wert der relativen Krümmung h/r einbezieht, ergibt sich ein Bild, das erst kürzlich erhalten wurde und Trägheitseffekte zeigt, die durch die nichtviskose Lösung dargestellt werden: Das berechnete Druckfeld ähnelt dem oben beschriebenen experimentellen Druckfeld außerhalb der Düse. Die Strömungskrümmung wird ausschließlich durch den transversalen Druckgradienten verursacht, wie von T. Young beschrieben. Die Viskosität führt dann lediglich zu einer Grenzschicht entlang der Wand und zu einer turbulenten Vermischung mit der Umgebungsluft wie bei einem herkömmlichen Wandstrahl - mit der Ausnahme, dass sich diese Grenzschicht unter der Wirkung der Differenz zwischen dem endgültigen Umgebungsdruck und einem geringeren Oberflächendruck entlang der Wand ablöst. Nach Van Dyke, der in Lift (force) zitiert wird, zeigt die Herleitung seiner Gleichung (4c) auch, dass der Beitrag der viskosen Spannung zur Strömungsumkehr vernachlässigbar ist. ⓘ
Ein alternativer Weg wäre die Berechnung des Ablenkungswinkels, bei dem sich die dem nichtviskosen Druckfeld ausgesetzte Grenzschicht ablöst. Es wurde eine grobe Berechnung versucht, die den Ablösungswinkel als Funktion von h/r und der Reynoldszahl angibt: Die Ergebnisse sind auf dem Bild zu sehen, z. B. 54° berechnet statt 60° gemessen für h/r=0,25. Weitere Experimente und eine genauere Grenzschichtberechnung wären wünschenswert. ⓘ
Andere Experimente, die 2004 mit einem Wandstrahl entlang einer kreisförmigen Wand durchgeführt wurden, zeigen, dass der Coandă-Effekt in einer laminaren Strömung nicht auftritt und die kritischen h/r-Verhältnisse für kleine Reynoldszahlen viel kleiner sind als die für eine turbulente Strömung. bis zu h/r=0,14 bei Re=500 und h/r=0,05 bei Re=100. ⓘ
Freier Strahl
L. C. Woods berechnete ebenfalls die nichtviskose zweidimensionale Strömung eines Freistrahls der Breite h, der um eine kreiszylindrische Fläche mit dem Radius r abgelenkt wird, zwischen einem ersten Kontakt A und einer Abtrennung bei B, einschließlich eines Ablenkungswinkels θ. Auch hier gibt es eine Lösung für jeden Wert der relativen Krümmung h/r und des Winkels θ. Darüber hinaus kann die Gleichung im Falle eines Freistrahls in geschlossener Form gelöst werden, was die Geschwindigkeitsverteilung entlang der kreisförmigen Wand ergibt. Die Oberflächendruckverteilung wird dann mit Hilfe der Bernoulli-Gleichung berechnet. Wir notieren den Druck (pa) und die Geschwindigkeit (va) entlang der freien Stromlinie bei Umgebungsdruck und γ den Winkel entlang der Wand, der in A gleich Null und in B gleich θ ist:
![{\displaystyle {\frac {v}{v_{a}}}=\exp {\bigg [}{2h \over \pi r}\tan ^{-1}{\bigg (}{\big [}{\sinh ^{2}({\pi \theta r \over 4h})-\cosh ^{2}({\pi \theta r \over 4h})\tanh ^{2}({\pi \gamma r \over 4h})}{\big ]}^{1/2}{\bigg )}{\bigg ]}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/315ce57dfbed57057657b1dc331ea1d4e5afcac1)
Ein Bild der Oberflächendruckverteilung des Strahls um die zylindrische Oberfläche unter Verwendung derselben Werte der relativen Krümmung h/r und desselben Winkels θ, wie sie für den Wandstrahl in der Abbildung auf der rechten Seite gefunden wurden, wurde erstellt: es kann in Referenz (15) S. 104 gefunden werden und beide Bilder sind recht ähnlich: der Coandă-Effekt eines freien Strahls ist träge, derselbe wie der Coandă-Effekt eines Wandstrahls. Eine experimentelle Messung der entsprechenden Oberflächendruckverteilung ist jedoch nicht bekannt. ⓘ
Experimente von Bourque und Newmann aus dem Jahr 1959 über die Wiederanlagerung eines zweidimensionalen turbulenten Strahls an eine versetzte parallele Platte nach dem Einschluss einer Trennblase, in der ein Niederdruckwirbel eingeschlossen ist (wie im Bild 5 im vorhergehenden Abschnitt), und auch für einen zweidimensionalen Strahl, der von einer einzelnen flachen Platte gefolgt wird, die unter einem Winkel geneigt ist, anstelle der kreisförmig gekrümmten Wand im Diagramm rechts, das die Erfahrung eines Wandstrahls beschreibt: Der Strahl trennt sich von der Platte, krümmt sich dann zur Platte hin, wenn das umgebende Fluid mitgerissen wird und der Druck sinkt, und schließt sich schließlich wieder an die Platte an, wobei er eine Trennblase einschließt. Der Strahl bleibt frei, wenn der Winkel größer als 62° ist. ⓘ
In diesem letzten Fall, der von Coandă vorgeschlagenen Geometrie, besteht die Behauptung des Erfinders darin, dass die Menge des vom Strahl aus der Umgebung mitgerissenen Fluids bei der Ablenkung des Strahls erhöht wird, eine Eigenschaft, die zur Verbesserung der Spülung von Verbrennungsmotoren und zur Erhöhung des maximalen Auftriebskoeffizienten eines Flügels genutzt wird, wie in den nachstehenden Anwendungen angegeben. ⓘ
Die Verteilung des Oberflächendrucks und der Abstand der Ablösung wurden in beiden Fällen ordnungsgemäß gemessen, und es wurden zwei Näherungstheorien für den mittleren Druck in der Ablösungsblase, die Position der Ablösung und den Anstieg des Volumenstroms aus der Öffnung entwickelt: Die Übereinstimmung mit dem Experiment war zufriedenstellend. ⓘ
Anwendungen
Der Coandă-Effekt findet Anwendung in verschiedenen Hochauftriebsvorrichtungen von Flugzeugen, bei denen die über die Tragfläche strömende Luft mit Hilfe von Klappen und einem über die gekrümmte Oberfläche der Oberseite der Tragfläche blasenden Strahlblatt zum Boden hin "gebogen" werden kann. Durch die Biegung der Strömung entsteht ein aerodynamischer Auftrieb. Die Strömung eines Hochgeschwindigkeitsdüsentriebwerks, das in einer Gondel über der Tragfläche angebracht ist, erzeugt einen erhöhten Auftrieb, indem sie den Geschwindigkeitsgradienten in der Scherströmung in der Grenzschicht drastisch erhöht. In diesem Geschwindigkeitsgradienten werden die Partikel von der Oberfläche weggeblasen, wodurch der Druck dort sinkt. In enger Anlehnung an die Arbeiten von Coandă zur Anwendung seiner Forschungsergebnisse, insbesondere die Arbeit an seiner "Aerodina Lenticulară", verbrachte John Frost von Avro Canada ebenfalls viel Zeit mit der Erforschung des Effekts, was zu einer Reihe von "Inside-Out"-ähnlichen Flugzeugen führte, aus denen die Luft in einem Ring um die Außenseite des Flugzeugs austrat und durch "Anhängen" an einen klappenartigen Ring gelenkt wurde. ⓘ
Dies steht im Gegensatz zu einem traditionellen Hovercraft-Design, bei dem die Luft in einen zentralen Bereich, das Plenum, geblasen und mit Hilfe einer "Schürze" aus Stoff nach unten geleitet wird. Nur einer von Frosts Entwürfen wurde jemals gebaut, die Avro Canada VZ-9 Avrocar. ⓘ
Die Avrocar (oft als "VZ-9" bezeichnet) war ein kanadisches Senkrechtstart- und -landeflugzeug (VTOL), das von Avro Aircraft Ltd. als Teil eines geheimen Militärprojekts der Vereinigten Staaten in den ersten Jahren des Kalten Krieges entwickelt wurde. Das Avrocar sollte den Coandă-Effekt nutzen, um Auftrieb und Schub von einem einzigen "Turbomotor" zu erhalten, der die Abgase aus dem Rand des scheibenförmigen Flugzeugs herausbläst, um die erwartete VTOL-ähnliche Leistung zu erzielen. In der Luft hätte es einer fliegenden Untertasse geähnelt. Zwei Prototypen wurden als "Proof-of-Concept"-Testfahrzeuge für ein fortschrittlicheres Kampfflugzeug der US-Luftwaffe und für einen Bedarf der US-Armee an taktischen Kampfflugzeugen gebaut. ⓘ
Das 1956 von Avro für das US-Militär durchgeführte Projekt 1794 sah eine größere fliegende Untertasse vor, die auf dem Coandă-Effekt basierte und Geschwindigkeiten zwischen Mach 3 und Mach 4 erreichen sollte. Die Projektunterlagen blieben bis 2012 geheim. ⓘ
Der Effekt wurde auch beim Projekt Advanced Medium STOL Transport (AMST) der US-Luftwaffe eingesetzt. Mehrere Flugzeuge, insbesondere die Boeing YC-14 (das erste moderne Flugzeug, das diesen Effekt nutzt), das leise Kurzstrecken-Forschungsflugzeug der NASA und das Asuka-Forschungsflugzeug des National Aerospace Laboratory of Japan, wurden gebaut, um diesen Effekt zu nutzen, indem Turbolüfter an der Oberseite der Tragflächen angebracht wurden, um auch bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten für Hochgeschwindigkeitsluft zu sorgen, aber bisher ist nur ein Flugzeug in Produktion gegangen, das dieses System in größerem Umfang nutzt, die Antonov An-72 "Coaler". Das Flugboot Shin Meiwa US-1A verwendet ein ähnliches System, nur dass es den Propellerstrahl seiner vier Turboprop-Triebwerke über die Oberseite der Tragfläche leitet, um Auftrieb bei niedriger Geschwindigkeit zu erzeugen. Einzigartig ist auch der Einbau eines fünften Turbotriebwerks in der Tragflächenmitte, das ausschließlich der Luftzufuhr für leistungsstarke Klappen dient. Die Kombination dieser beiden Systeme verleiht dem Flugzeug eine beeindruckende STOL-Fähigkeit. ⓘ
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Auch die experimentelle McDonnell Douglas YC-15 und ihr Serienableger, die Boeing C-17 Globemaster III, nutzen diesen Effekt. Der NOTAR-Hubschrauber ersetzt den herkömmlichen Propeller-Heckrotor durch ein Heck mit Coandă-Effekt (siehe Abbildung links). ⓘ
Für ein besseres Verständnis des Coandă-Effekts sorgte die wissenschaftliche Literatur, die im Rahmen des EU-FP7-Projekts ACHEON erstellt wurde. Im Rahmen dieses Projekts wurde eine bestimmte symmetrische Düse verwendet, um eine effektive Modellierung des Coandă-Effekts zu erstellen und innovative STOL-Flugzeugkonfigurationen auf der Grundlage dieses Effekts zu ermitteln. Diese Tätigkeit wurde von Dragan auf den Bereich der Turbomaschinen ausgeweitet, mit dem Ziel, die Form der rotierenden Schaufeln durch die Arbeit des rumänischen Comoti-Forschungszentrums für Turbomaschinen besser zu optimieren. ⓘ
Eine praktische Anwendung des Coandă-Effekts sind geneigte Siebe für Wasserkraftwerke, die Schutt, Fische usw. aus dem Zufluss zu den Turbinen abscheiden. Aufgrund des Gefälles fallen die Verunreinigungen ohne mechanische Reinigung von den Rechen ab, und dank der Drähte des Rechens, die den Coandă-Effekt optimieren, fließt das Wasser durch den Rechen zu den Druckrohrleitungen, die das Wasser zu den Turbinen leiten. ⓘ
Der Coandă-Effekt wird in Zweistrahl-Flüssigkeitsspendern in Autoscheibenwaschanlagen genutzt. ⓘ
Das Funktionsprinzip von oszillierenden Durchflussmessern beruht ebenfalls auf dem Coandă-Phänomen. Die einströmende Flüssigkeit tritt in eine Kammer ein, die zwei "Inseln" enthält. Aufgrund des Coandă-Effekts teilt sich der Hauptstrom auf und fließt unter eine der Inseln. Dieser Strom speist sich dann selbst wieder in den Hauptstrom ein, wodurch dieser sich erneut aufspaltet, allerdings in Richtung der zweiten Insel. Dieser Vorgang wiederholt sich, solange die Flüssigkeit in der Kammer zirkuliert, was zu einer selbstinduzierten Schwingung führt, die direkt proportional zur Geschwindigkeit der Flüssigkeit und folglich zum Volumen der durch den Zähler fließenden Substanz ist. Ein Sensor nimmt die Frequenz dieser Schwingung auf und wandelt sie in ein analoges Signal um, das das durchfließende Volumen angibt. ⓘ
In der Klimatechnik wird der Coandă-Effekt ausgenutzt, um die Wurfweite eines an der Decke montierten Diffusors zu erhöhen. Da der Coandă-Effekt bewirkt, dass die aus dem Luftauslass austretende Luft an der Decke "klebt", legt sie bei gleicher Ausblasgeschwindigkeit einen größeren Weg zurück, bevor sie abfällt, als wenn der Auslass in freier Luft, ohne die benachbarte Decke, montiert wäre. Eine geringere Ausblasgeschwindigkeit bedeutet einen niedrigeren Geräuschpegel und ermöglicht bei Klimaanlagen mit variablem Luftvolumen (VAV) ein größeres Absenkverhältnis. Lineare Durchlässe und Schlitzdurchlässe, die eine größere Kontaktlänge mit der Decke aufweisen, haben einen größeren Coandă-Effekt. ⓘ
In der Herz-Kreislauf-Medizin ist der Coandă-Effekt für die getrennten Blutströme im rechten Vorhof des Fötus verantwortlich. Er erklärt auch, warum exzentrische Mitralregurgitationsstrahlen angezogen werden und sich entlang benachbarter linker Vorhofwandflächen verteilen (so genannte "wall-hugging jets", wie sie bei echokardiographischen Farbdoppleruntersuchungen zu sehen sind). Dies ist klinisch relevant, da die sichtbare Fläche (und damit der Schweregrad) dieser exzentrischen wandanhängenden Jets im Vergleich zu den leichter erkennbaren zentralen Jets oft unterschätzt wird. In diesen Fällen werden volumetrische Methoden wie die PISA-Methode (proximal isovelocity surface area) bevorzugt, um den Schweregrad der Mitralinsuffizienz zu quantifizieren. ⓘ
In der Medizin wird der Coandă-Effekt bei Beatmungsgeräten verwendet. ⓘ
In der Meteorologie wurde die Theorie des Coandă-Effekts auch auf einige Luftströme angewandt, die aus Gebirgszügen wie den Karpaten und den transsilvanischen Alpen strömen, wo Auswirkungen auf die Landwirtschaft und die Vegetation festgestellt wurden. Auch im Rhonetal in Frankreich und in der Nähe des Big Delta in Alaska scheint es diesen Effekt zu geben. ⓘ
In der Formel 1 wurde der Coandă-Effekt nach der ersten Einführung durch Adrian Newey (Red Bull Team) im Jahr 2011 von den Teams McLaren, Sauber, Ferrari und Lotus genutzt, um die Abgase durch den Heckdiffusor umzuleiten und so den Abtrieb am Heck des Fahrzeugs zu erhöhen. Aufgrund von Regeländerungen, die von der FIA mit Beginn der Formel-1-Saison 2014 eingeführt wurden, wurde die Absicht, Abgase umzuleiten, um den Coandă-Effekt zu nutzen, zunichte gemacht, da vorgeschrieben ist, dass der Auspuff des Fahrzeugs keine Karosserie haben darf, die direkt dahinter liegt und zum aerodynamischen Effekt beiträgt. ⓘ
In der Strömungstechnik wurde der Coandă-Effekt zum Bau von bistabilen Multivibratoren verwendet, bei denen der Arbeitsstrom (Druckluft) an der einen oder anderen gekrümmten Wand haften bleibt und Steuerstrahlen den Strom zwischen den Wänden umschalten können. ⓘ
Der Coandă-Effekt wird auch genutzt, um zwei verschiedene Flüssigkeiten in einem Coandă-Effekt-Mischer zu mischen. ⓘ
Der Coandă-Effekt wird im Flugzeugbau zur Erhöhung des Auftriebes in zwei Varianten eingesetzt: Das Triebwerk wird knapp über dem Tragflügel angeordnet und dessen Schubstrahl durch ein Klappensystem am Tragflügel „saugend“ nach unten abgelenkt – dies ist naturgemäß nur in einem sehr kleinen Bereich des Tragflügels möglich, der Rest des Flügels arbeitet in einer „normalen“ Strömung. Eine seiner ersten Anwendungen fand der Effekt bei der sowjetischen Antonow An-32, Antonow An-72, Antonow An-74 und bei einem Bewerber des „AMST-Projekts“ der US Air Force (Advanced Medium STOL Transport), der YC-14. Wenn diese Anordnung Nutzen bringen soll, erfordert sie gewaltige Triebwerksleistungen, auch müssen die Tragflügelklappen im Bereich des Schubstrahles besonders kräftig gebaut und geschützt werden. Ebenso gibt es große Probleme bei der Steuerbarkeit und Sicherheit (beispielsweise bei Triebwerksausfall). ⓘ
Die zweite Anwendung ist eine Mischung aus Coandă- und „normaler“ Strömung: Der Strahl wird in die bereits kräftig ausgebildete Grenzschicht einer „normalen“ Strömung geblasen, um sie weiter um Klappen etc. fließen zu lassen, als es sonst möglich wäre. Dies ist keine „reine Coandă-Strömung“ mehr, denn die Strömung in der Umgebung soll nur „verbessert“ werden: An der äußeren Scherschicht soll die hohe Geschwindigkeit des Strahles an die schon langsame Grenzschicht der äußeren Strömung übertragen werden. ⓘ
Erfolgreiche Anwendungen dieses Prinzips gibt es an konventionellen Tragflügeln im Bereich von Nasen- und Endklappen (Grenzschicht-Ausblasung), zum Beispiel bei den großen von der japanischen Marine und Küstenwache eingesetzten Flugbooten des Herstellers Shin Meiwa. Auch diese Anwendung erfordert sehr hohe Triebwerksleistungen, denn die kräftigen Strahlen müssen ja erzeugt werden. Die „normale“ Strömung kann mit solchen Maßnahmen in besonderen Flugzuständen (Langsamflug bei Start und Landung) verbessert werden, ein normaler Flugzustand ist damit aber aus Kostengründen nicht beeinflussbar. ⓘ
Eine spektakuläre Anwendung ist der NOTAR-Hubschrauber, an dem der Heckrotor eingespart werden kann: Am als Rohr ausgeführten runden Ausleger wird im Bereich des Rotor-Abwindes durch Ausblasen von Luft der Abwind so um den Ausleger herumgeleitet, dass er das Rotor-Gegendrehmoment teilweise ausgleicht. Zusätzlich wird aber noch eine variable Steuerdüse am Ende des Auslegers benötigt. Die Vorteile liegen in der Einsparung schwerer und komplexer Mechanik und im erheblichen Sicherheitsgewinn. Der Preis: Ein zusätzliches innenliegendes Gebläse zur Erzeugung des Luftstromes am Heckausleger. Ein ausgeführtes Muster ist der MD Explorer. ⓘ
Im Jahre 2012 hat dieses Prinzip auch in der Formel 1 Einzug gehalten: Die Auspuffsysteme nutzen diesen Effekt, um mehr Anpressdruck zu erzeugen, indem die Auspuffgase auf die Spalte zwischen Hinterrädern und Bodenplatte geführt werden und damit den Diffusor gegen seitliche Einströmungen abschirmen. ⓘ
Weitere Anwendungen gibt es im Heizungs- und Lüftungsbau sowie im Küchen- und Laborbereich. Tropffreies Ausgießen von Flüssigkeit – besonders aus einem hoch gefüllten Becherglas (mit Ausguss) – erfolgt entlang eines angelegten Glasstabs. Ausgießer gibt es an Getränkekannen und für Getränkepackungen und (Alkoholika-)Flaschen. Alte Korkstöpselflaschen aus der Drogerie hatten einen ausgießgünstigen Kragen, Medizin- und Laborglasflaschen haben meist Ausgießringe aus Kunststoff oder aber auch aus dem Glasrand selbst gebildete. Die lange Liste von Coandăs US-Patenten enthält unter anderem auch Düsen für Vergaser. ⓘ
In Wasserfassungen nutzen wartungsfreie Filter den Coandă-Effekt über schräggestellte Einlaufsiebe. ⓘ
Der Coandă-Effekt wird auch für pneumatische oder hydraulische Steuerungssysteme genutzt. (Fluidik) ⓘ
Praktische Demonstration
Der Coandă-Effekt kann demonstriert werden, indem ein kleiner Luftstrahl schräg nach oben über einen Tischtennisball geleitet wird. Durch die (radiale) Beschleunigung (Verlangsamung und Drehung) der Luft um den Ball wird der Strahl angezogen und folgt der Oberseite des Balls, die sich um ihn herum krümmt. Bei ausreichender Luftströmung wird diese Impulsänderung durch die gleiche und entgegengesetzte Kraft auf den Ball, die sein Gewicht trägt, ausgeglichen. Diese Demonstration kann mit einem Haartrockner auf niedrigster Stufe oder einem Staubsauger durchgeführt werden, wenn der Auslass am Rohr befestigt und schräg nach oben gerichtet werden kann. ⓘ
Ein weit verbreiteter Irrglaube ist, dass der Coandă-Effekt demonstriert wird, wenn ein Strom von Leitungswasser über die Rückseite eines Löffels fließt, der leicht in den Strom gehalten wird, und der Löffel in den Strom hineingezogen wird (z. B. verwendet Massey 1979, Abb. 3.12 den Coandă-Effekt zur Erklärung der Ablenkung von Wasser um einen Zylinder). Die Strömung sieht zwar sehr ähnlich aus wie die Luftströmung über dem Tischtennisball oben (wenn man die Luftströmung sehen könnte), aber die Ursache ist nicht wirklich der Coandă-Effekt. Da es sich hier um eine Strömung von Wasser in Luft handelt, wird das umgebende Fluid (die Luft) nur in geringem Maße in den Strahl (den Wasserstrom) mitgerissen. Diese spezielle Demonstration wird von der Oberflächenspannung dominiert. (McLean 2012, Abbildung 7.3.6 stellt fest, dass die Ablenkung des Wassers "tatsächlich molekulare Anziehung und Oberflächenspannung demonstriert.") ⓘ
Eine weitere Demonstration besteht darin, den Luftstrom z. B. eines Staubsaugers, der im Rückwärtsgang arbeitet, tangential an einem runden Zylinder vorbeizuführen. Ein Papierkorb funktioniert gut. Der Luftstrom scheint den Zylinder zu "umschlingen" und kann in einem Winkel von mehr als 180° zur einströmenden Strömung festgestellt werden. Unter den richtigen Bedingungen (Durchflussmenge, Gewicht des Zylinders, Glätte der Oberfläche, auf der er steht) bewegt sich der Zylinder tatsächlich. Man beachte, dass sich der Zylinder nicht direkt in die Strömung hineinbewegt, wie eine falsche Anwendung des Bernoulli-Effekts vorhersagen würde, sondern in einer Diagonale. ⓘ
Der Coandă-Effekt lässt sich auch demonstrieren, indem man eine Dose vor eine brennende Kerze stellt, so dass die Kerzenflamme hinter der Dose völlig verdeckt ist, wenn man von oben auf die Dose blickt. Pustet man dann direkt auf die Dose, wird die Kerze gelöscht, obwohl die Dose "im Weg" ist. Das liegt daran, dass der auf die Dose gerichtete Luftstrom um diese herum gebogen wird und dennoch die Kerze erreicht, um sie zu löschen, gemäß dem Coandă-Effekt. ⓘ
Bei einer „beweglichen“ Oberfläche kann man umgekehrt auch zeigen, wie sie sich an einen Gasstrahl „hängt“. Das folgende einfache Experiment zeigt dies:
- Blase an der (konvexen) Oberseite eines Blattes Papier entlang. Es wird angehoben, „klebt“ am Luftstrahl und wird in der Schwebe gehalten. Da das Papier nur ein geringes Gewicht hat, stellt sich ein Gleichgewicht ein: Die Wand ist beweglich, kann also der Ablenkung der Strömung „nachgeben“, und die Strömung wird nur geringfügig abgelenkt – nur so viel, wie zur Überwindung des Papiergewichtes erforderlich ist. ⓘ
Das Experiment ist sehr einfach auszuführen und wird fälschlicherweise gern zur Erklärung des Auftriebes an Tragflächen herangezogen. Es erklärt jedoch nicht die Entstehung des Auftriebes an Tragflächen, denn diese werden anders umströmt. ⓘ
Verursachte Probleme
Die technische Nutzung des Coandă-Effekts hat nicht nur Vorteile, sondern auch Nachteile. ⓘ
Bei Schiffsantrieben kann die Effizienz eines Propellers oder eines Strahlruders durch den Coandă-Effekt stark beeinträchtigt werden. Die von einem Propeller erzeugte Kraft auf das Schiff ist eine Funktion der Geschwindigkeit, des Volumens und der Richtung des Wasserstrahls, der den Propeller verlässt. Unter bestimmten Bedingungen (z. B. wenn sich ein Schiff durch das Wasser bewegt) ändert der Coandă-Effekt die Richtung des Propellerstrahls und bewirkt, dass er der Form des Schiffsrumpfs folgt. Die Seitenkraft eines Tunnelstrahlruders am Bug eines Schiffes nimmt mit der Vorwärtsgeschwindigkeit schnell ab. Bei Geschwindigkeiten über 3 Knoten kann der Seitenschub vollständig verschwinden. Wenn der Coandă-Effekt auf symmetrisch geformte Düsen angewandt wird, treten Resonanzprobleme auf. Diese Probleme und die Kopplung verschiedener Spins wurden eingehend analysiert. ⓘ
Flüssigkeitsströmungen
Das Haften der Flüssigkeit an umströmten Festkörpern ist auf die molekularen Wechselwirkungen wie die Van-der-Waals-Wechselwirkung zurückzuführen. Diese bewirken das Haften von Flüssigkeiten auch an der Unterseite von waagerechten Flächen. Die Umlenkung des Wasserstrahls ist daher hier nicht auf den Coandă-Effekt zurückzuführen, der auf einer Wechselwirkung des Fluidstrahls mit dem umgebenden Fluid im Zusammenhang mit einer benachbarten Oberfläche beruht. ⓘ