¿Qué aplicaciones tiene el efecto Coanda en aviación?


El efecto Coanda tiene que ver con la deflexión de fluidos alrededor de un objeto. Para las fuerzas y presiones asociadas con el vuelo a baja velocidad, el aire se considera no solo un fluido, sino un fluido incompresible. Esto significa que el volumen de la masa de aire permanece constante y que los flujos de aire no se separan entre sí para formar vacíos (huecos). Por el momento, consideremos el efecto Coanda con agua. Aunque muchos físicos niegan que este efecto se produzca con agua (se suele decir que lo que ocurre con el agua es debido a la tensión superficial y no al efecto coanda propiamente dicho), aquí vamos a simplificar las cosas al máximo y aceptaremos que este ejemplo es válido para ilustrar lo que ocurre con el aire y el ala. Este efecto, como decimos, se puede demostrar de una manera simple. Haga correr una pequeña corriente de agua desde un grifo y lleve una cuchara o un vaso de agua horizontal hasta que toque el agua, como en la ilustración. Tal como se puede ver, el agua se "enrollará" parcialmente alrededor del vidrio o de la cuchara cambiando su dirección inicial. Según la primera ley de Newton, sabemos que para que el flujo de agua se doble, debe haber una fuerza sobre él. La fuerza está en la dirección de la curva. De la tercera ley de Newton sabemos que debe haber una fuerza igual y opuesta actuando sobre el vidrio o la cuchara. 


El mismo fenómeno que se puede observar aquí es el que causa las fuerzas entre el flujo de aire alrededor de un ala y el ala. Entonces, ¿por qué los líquidos tienden a doblarse alrededor de un objeto sólido? La respuesta es la viscosidad, esa característica que hace que un fluido denso como la miel se adhiera a una superficie. Cuando un fluido en movimiento entra en contacto con un objeto sólido, parte de él se pega a la superficie. A una pequeña distancia de la superficie, el fluido tiene una pequeña velocidad con respecto al objeto. Esto se puede ver en la figura que sigue, cuanto más se lejos de la superficie, más rápido es el fluido, hasta que finalmente llega a la velocidad del flujo uniforme a cierta distancia del objeto. 


La capa de transición entre la superficie y el fluido en el flujo uniforme se denomina capa límite, de la que ya hablaremos en otra ocasión. Todo esto contribuye (además de otras cosas) a que el aire se deflecte hacia abajo en un perfil aerodinámico.


Las diferencias de velocidad en las capas adyacentes causan las llamadas fuerzas de corte (shear) o esfuerzo tangencial, que son las que hacen que el fluido se acabe doblando en la dirección de la capa más lenta. Por ello el fluido parece que intenta envolverse alrededor de los objetos. La característica de los fluidos de poseer una velocidad nula o cero en la superficie de un objeto explica el por qué uno tiene que acabar por frotar para lavar bien un coche, pues solo con un manguerazo (o con la lluvia) el polvo de un automóvil no acaba de desaparecer. En la superficie del automóvil, el agua no tiene velocidad y por lo tanto ejerce poca o ninguna fuerza sobre las partículas de polvo.

Algunas aplicaciones del efecto

El efecto coanda se aplica a todos los llamados aerodinos o vehículos aéreos "más pesados que el aire" (en realidad más pesado que el desplazamiento de volumen de aire), que se mantiene en la atmósfera debido a un movimiento hacia delante de sus superficies aerodinámicas. Los aerodinos se clasifican en tres categorías: 
  • ornitópteros (tienen alas móviles) 
  • helicópteros (tienen una o varias palas/alas giratoria) 
  • girodino (tiene hélices rotatorias accionadas por motor y hélices de hélice) 
  • autogiro (tiene alas giratoria y hélice) 
  • aviones (ala fija), categoría subdividida en: 
    • aviones (ala fija y motor) ( Monoplano , Biplano, etc. ) 
    • planeadores (tienen un ala fija pero no tienen un motor)

Una primera aplicación de este efecto se pudo ver en el diseño del aerodino de forma lenticular del propio Coanda en 1935, que era una especie de avión con forma de platillo volante , capaz de despegar y aterrizar verticalmente. Para este propósito, la aeronave está equipada con unos eyectores centrífugos, alimentados por un compresor que succionaba aire ambiente y luego lo comprimía. Ya en un sentido más práctico, la aplicación más conocida de este efecto se peude ver en los flaps y los slats de los aviones comerciales de hoy en día. En efecto, el aire que pasa por las rendijas o espacios entre la superficie móvil y el ala tiende a "pegarse y seguir la curvatura, incrementando la cantidad total de sustentación cuando los aviones aterrizan o despegan. Ver post dedicado a por qué no se deben de extender estas superficies más allá de los 20.000 pies de altura. 

Para aumentar el coeficiente de sustentación máximo de un perfil aerodinámico se utilizan los flaps y los slats. El coeficiente extra de sustentación es causado en parte por el efecto Coanda cuando el aire se desvía a través de las aberturas en las alas al estar estas superficies extendidas. Los slats y flaps extendidos se utilizan en aviones comerciales al aterrizar y despegar; pero también se usan con gran efecto en los aviones de combate para permitir velocidades lentas cuando es necesario. Este no es un dibujo real, sino un diagrama algo exagerado para enfatizar los puntos principales.

Otra de las aplicaciones de este efecto la podemos encontrar en la compensación de cola de los helicópteros. En uno de estos sistemas no se utiliza una hélice sino aire expulsado por unas rendijas. Es el conocido sistema NOTAR o compensación sin rotor de cola (NO TAil Rotor). Debajo se puede ver un esquema de este sistema.

1.Helicopter NOTAR System. (NO TAil Rotor).Air intake; 2.Variable pitch fan; 3.Tail boom with Coanda Slots; 4.Vertical stabilizers; 5.Direct jet thruster; 6.Downwash; 7.Circulation control tailboom cross-section; 8.Anti-torque lift

Otro de los usos de este efecto se puede ver en los aviones STOL, como el Boeing YC-14 (Model 953) Antonov An-72 (designación OTAN: Coaler).

Una característica de diseño inusual del An-74 (y también de An-72) es el uso del efecto Coanda para mejorar el rendimiento de STOL, utilizando los gases de escape del motor soplados sobre la superficie superior del ala para incrementar la sustentación. El motor usado es el turbofan Lotarev D-36. El An-74 se parece al Boeing YC-14, un prototipo de principios de los años 70 que también utilizó motores con soplado para generar el efecto Coandă.

Viscosidad y sustentación

Para aquellos que estén familiarizados con la aerodinámica, puede existir una pequeña confusión con la conexión de la viscosidad y la sustentación. Muchas simulaciones en aerodinámica se realizan con cero viscosidad o, más exactamente, en el límite de viscosidad cero. La viscosidad se introduce implícitamente con la condición de Kutta-Joukowski, que requiere que el aire salga suavemente en el borde posterior del ala. Entonces, en realidad, estos cálculos de "viscosidad cero" reintroducen la viscosidad a través de la condición de Kutta-Joukowski. En un fluido sin viscosidad, como el helio superfluido, un ala no puede volar. Además, en la mayoría de las descripciones matemáticas de la elevación, la capa límite se considera tan pequeña que se ignora. Muchos afirman erróneamente que ignorar la capa límite es equivalente a tener cero viscosidad. Esto es incorrecto porque la viscosidad está implícita en la condición de que el aire siga la curvatura del ala. Para saber más sobre esto ver el post dedicado a la pregunta tonta ¿Por qué vuela una avión?

Post relacionado: el downwash

Comentarios

  1. Recuerdo un avion ruso. Antonov 2 creo, que era biplano y tenia flaps y slats y generaba tanta sustentacion que podia permanecer fijo en el aire o incluso volar hacia atras con suficiente viento en contra

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    1. Hola querido lector, efectivamente eso se decía de este avión: The An-2 has no stall speed, a fact which is quoted in the operating handbook. A note from the pilot's handbook reads: "If the engine quits in instrument conditions or at night, the pilot should pull the control column full aft and keep the wings level. The leading-edge slats will snap out at about 64 km/h (40 mph) and when the airplane slows to a forward speed of about 40 km/h (25 mph), the airplane will sink at about a parachute descent rate until the aircraft hits the ground." As such, pilots of the An-2 have stated that they are capable of flying the aircraft in full control at 48 km/h (30 mph) (as a contrast, a modern Cessna four-seater light aircraft has a stall speed of around 80 km/h (50 mph)). This slow stall speed makes it possible for the aircraft to fly backwards relative to the ground (if the aircraft is pointed into a headwind of roughly 56 km/h (35 mph), it will travel backwards at 8.0 km/h (5 mph) whilst under full control).

      En realidad, lo de volar hacia atrás es posible para un avión convencional siempre y cuando exista el suficiente viento en contra. Si tienes en casa el Microsoft Flight Simulator (o cualquier otro que sea parecido), prueba a despegar con la cessna y con unos 100 km/h de viento en contra. Verás que nada más dejar el suelo la pista se aleja de ti :)

      Un cordial saludo
      Manolo

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