コアンダ効果

コアンダ効果(コアンダこうか、: Coandă effect)は、粘性流体噴流(ジェット)が近くの壁に引き寄せられる効果のことである。噴流が周りの流体を引きこむ性質が原因[1]ルーマニアの発明家アンリ・コアンダ(1886-1972)がジェット・エンジン機の実験のなかで発見したので、彼の名前にちなむ。 噴流を発生させる境界層制御装置によって翼が強い揚力を得ることができるのはコアンダ効果の重要な応用例である。

連続体力学
コアンダ効果(水流ジェットが容器の曲面に沿って流れる)

本来、コアンダ効果は噴流で発生するものだが、噴流でない流れが壁に引き寄せられる性質をもコアンダ効果と呼ぶことがある。しかし、全て同じメカニズムで働いているか疑問だという意見もある[1]

境界層制御装置をのせていない通常の翼においても、コアンダ効果が揚力の発生に寄与しているという説明が見られる[2][3]。ここでは「コアンダ効果によって翼の形に沿うように流れる」というように翼の流れの分布を決定する理論としてコアンダ効果が使われている。しかし、通常の翼において噴流は自然には発生しないので、通常の翼における揚力の発生をコアンダ効果で説明するのは間違いとする著者もいる[4]

発見

この現象についての最初の記述はトマス・ヤングが1800年にロンドン王立協会向けに行った講義で行われた。

ロウソクに吹管を使って空気を吹きかけると炎が流れに向かって引き寄せられるが、そのときの側圧は、 障害物の近くを流れる空気の噴流が物体にそって曲がるのを助ける圧力とおそらく同じである。 空気の噴流を水面に噴きかけてできるくぼみに着目しよう。噴流に凸状の物体を押し込むと、 水面のくぼみが動いて、噴流が物体の方へ曲がったことがわかる。 そして物体が自由に動ける状態だと、物体が噴流に引き寄せられる。 [5]

百年以上過ぎて、コアンダは自身が開発したサーモジェットエンジンを搭載した実験航空機コアンダ=1910の飛行試験の失敗において、燃焼ガスが胴体に沿って流れる現象に気がついた。この「噴流が凸状の物体の表面に沿って流れる現象」を著名な流体力学者であるセオドア・フォン・カルマンと議論したが、カルマンは後にこれをコアンダ効果と名付けた[6]。 1934年にコアンダはフランスでこの効果に関する特許を得ている。

原因

2次元噴流の流線。左から右へ流れる噴流が周りの流体を引き込む様子が見える。流線関数として を使った[1]

コアンダ効果は噴流が粘性の効果により周りの流体を引き込むこと(: entrainment)によって起きる現象である。

噴流はその流れに沿って運動量流束を一定に保つが、粘性散逸によりエネルギー流束は流れに沿って減少する。よって、質量流束は流れに沿って増加することが導かれる[1]。 つまり、噴流は下流にいくに従って噴流中の質量を増やしていくことになるので、結果、周りの流体は噴流へと流れこむ。 なお、気体の中に液体の噴流を流すときは、周りの引きずられた気体も含めて噴流と考える。

コアンダ効果は噴流が外部の流体を引き込むことによって起きる。片側が壁の場合、代わりに噴流が壁の方に引き込まれる。

もし、噴流のそばに壁があり流体の流れこみを阻害するなら、代わりに噴流が壁の方に引き込まれる。これがコアンダ効果である。

噴流が層流状態でなく、乱流状態ならコアンダ効果はより強く働く[1]

なお、水流にピンポン玉が吸い付けられる現象をコアンダ効果でなくベルヌーイの定理を使って説明するのは誤りである。なぜなら、非粘性の場合、噴流内部の圧力は大気圧と同じなので圧力勾配は発生しないからである[7]

応用

ボーイング YC-14
ノーターの動作
図では示されていないがテイル・ブーム中央部から右下方向へサーキュレーション・ジェットが噴出される。

翼の上に噴流を流して迎え角の大きなの上を気流が剥離(=失速)することなく流れることで大きな揚力を得ることができる境界層制御はコアンダ効果の応用である。噴流が翼に当たるように翼の上にジェットエンジンを取り付けた翼 (アッパーサーフェスブローイング)や、翼表面に噴流を発生させる装置(: Circulation control wing)などがある。(参照:高揚力装置)

アッパーサーフェスブローイング(USB)方式とは、翼の上側に設けられたエンジンからの噴出流がフラップに沿って地上へと曲げられ上昇力を得るものである。短距離離着陸性能の向上に利用され、アメリカ合衆国ボーイングYC-14日本の実験機「飛鳥」などで実験された。

実験のみで終わった他国と異なり、万事にコストをあまり考慮しなかった社会主義体制下のソ連ウクライナではアントノフ設計局An-72An-74が実用化され、ロシアやウクライナの航空会社により多数運用されている。アントノフ設計局はUSB方式ではないAn-148 を新規開発し複数の航空会社や軍に販売しているが、STOL能力が要求される路線で需要が高いためAn-74の生産を継続している。

MDヘリコプターズによって開発されたヘリコプターであるノーター(: NOTAR)[8][9][10]は、ヘリコプター特有の回転運動(反トルク)を打ち消すためのテールローターに相当するものとして、コアンダ効果を利用する装置を備えている。

自動車競技F1において、コアンダ・エキゾーストという排気を利用して低速時のトラクションを上げるシステムを、マクラーレンフェラーリザウバーに続いてメルセデスAMGが採用した[11]。なお、これは2014のレギュレーションの変更(排気を利用したダウンフォース発生デバイスの禁止) [12] により、廃止された。

コアンダ効果以外の噴流の引き込み現象の例としては、 ダイソンの扇風機エアマルチプライアーが噴流が周りの流体を引きこむ性質を利用していることや[13]、 ゆっくりと吐くと暖かく感じる息が、口をすぼめて息を吹きかけると周りの冷たい空気を引きこむため冷たく感じること [14] [15] などがある。

脚注

  1. Tritton, D.J.,『トリトン流体力学<上>』川村哲也訳 インデックス出版 2002年4月1日初版発行 ISBN 4901092251 (原書 ISBN 0198544936), 11.6節,11.7節,12.6節
  2. David Anderson, Scott Eberhardt, "Understanding Flight, Second Edition",McGraw-Hill Professional; 2 edition (August 12, 2009), ISBN 0071626964
  3. 日本機械学会『流れの不思議』講談社ブルーバックス 2004年8月20日第一刷発行 ISBN 4062574527
  4. http://newfluidtechnology.com/THE_COANDA_EFFECT_AND_LIFT.pdf Report on the Coandă Effect and lift
  5. Young, T. (1800), Outlines of experiments and inquiries, respecting sound and light. (原文) "The lateral pressure which urges the flame of a candle towards the stream of air from a blowpipe is probably exactly similar to that pressure which eases the inflexion of a current of air near an obstacle. Mark the dimple which a slender stream of air makes on the surface of water. Bring a convex body into contact with the side of the stream and the place of the dimple will immediately show the current is deflected towards the body; and if the body be at liberty to move in every direction it will be urged towards the current."
  6. Eisner, Thomas (2005), For Love of Insects, Harvard University Press, p. 177, ISBN 0-674-01827-3, http://books.google.com/books?id=Ki9djoKOm-0C&pg=PA177
  7. http://www.iop.org/EJ/article/0031-9120/38/6/001/pe3_6_001.pdf How do Wings Work? – Holger Babinsky
  8. : no tail rotor
  9. ノーターシステム解説(日本語)
  10. http://www.kulikovair.com/Notar.htm
  11. "Mercedes F1 Testing Coanda-Style Exhaust in France" http://www.autoevolution.com/news/mercedes-f1-testing-coanda-style-exhaust-in-france-49319.html
  12. Formula 1® - The Official F1® Website - Rules And Regulations - 2014 season changes”. 2014年12月11日閲覧。
  13. "Air Multiplier™ technology - how it works" http://www.youtube.com/watch?v=gChp0Cy33eY
  14. 素朴な疑問 QA054”. 2012年6月6日閲覧。
  15. 日常の化学工学 ハーは暖かくフーは冷たいのはなぜ-流体の混合のはなし-”. 2012年6月7日閲覧。

関連項目

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