تأثير كواندا

تُحمل كرة تنس طاولة في تيار هواء مائل. هذا مثال على تأثير كواندا. تلتصق الكرة بالجانب السفلي من تيار الهواء، مما يمنعها من السقوط. يحافظ التيار النفاث ككل على مسافة معينة من مخرجه، وتمنعها الجاذبية من الانجراف بعيدًا.

تأثير كواندا ( يُلفظ / ˈkwɑːndə / أو / ˈkwæ- / ) هو ميل تيار السائل إلى البقاء ملتصقًا بسطحٍ ما. [ 1 ] يصفه قاموس ميريام -ويبستر بأنه "ميل تيار السائل الخارج من فتحةٍ ما إلى اتباع سطحٍ مستوٍ أو منحني مجاور ، وسحب السائل من المحيط به ، مما يؤدي إلى تكوين منطقة ضغطٍ منخفض". [ 2 ]

وقد سميت على اسم المخترع الروماني هنري كواندا ، الذي كان أول من أدرك التطبيق العملي لهذه الظاهرة في تصميم الطائرات حوالي عام 1910. [ أ ] [ 3 ] وقد تم توثيقها لأول مرة بشكل صريح في براءتي اختراع صدرتا عام 1936.

تاريخ

وقدّم توماس يونغ وصفاً لهذه الظاهرة في محاضرة ألقاها أمام الجمعية الملكية عام 1800:

ربما يكون الضغط الجانبي الذي يدفع لهب الشمعة نحو تيار الهواء الخارج من أنبوب النفخ مماثلاً تمامًا للضغط الذي يُسهّل انحناء تيار الهواء بالقرب من عائق. لاحظ الانخفاض الذي يُحدثه تيار هواء رفيع على سطح الماء. ضع جسمًا محدبًا على جانب التيار، وسيُظهر موضع الانخفاض فورًا أن التيار ينحرف نحو الجسم؛ وإذا كان الجسم حرًا في الحركة في جميع الاتجاهات، فسوف يندفع نحو التيار... [ ب ]

بعد أكثر من مئة عام، اكتشف هنري كواندا تطبيقًا لهذه الظاهرة خلال تجارب أجراها على طائرته كواندا-1910 ، المزودة بمحرك غير عادي من تصميمه. دفع التوربين المُدار بمحرك الهواء الساخن إلى الخلف، ولاحظ كواندا انجذاب تدفق الهواء إلى الأسطح المجاورة. في عام 1934، حصل كواندا على براءة اختراع في فرنسا لـ"طريقة وجهاز لتحويل مسار سائل إلى سائل آخر". وُصفت هذه الظاهرة بأنها "انحراف تيار مائع عادي يخترق سائلًا آخر بالقرب من جدار محدب". أول وثائق رسمية تُشير صراحةً إلى هذه الظاهرة هي براءتا اختراعه لعام 1936. [ 4 ] [ 5 ] وقد اعتمد هذا الاسم عالم الديناميكا الهوائية تيودور فون كارمان ، الذي كانت تربطه علاقة علمية طويلة مع كواندا في مسائل الديناميكا الهوائية. [ 6 ]

الآلية

رسوم بيانية توضح الآلية المسؤولة عن تأثير كواندا
رسم تخطيطي لمحرك نموذجي يستغل تأثير كواندا لتوليد قوة الرفع (أو الحركة الأمامية عند إمالته بزاوية 90 درجة). يكون شكل المحرك أشبه بالرصاصة أو وعاء مقلوب، حيث يندفع السائل أفقيًا من فتحة دائرية قرب قمة الرصاصة. يضمن وجود حافة صغيرة عند الحافة السفلية للفتحة تكوّن دوامة ضغط منخفض أسفل نقطة خروج السائل مباشرةً (انظر الرسم التخطيطي 5). من هناك، يتسبب تأثير كواندا في التصاق طبقة السائل بالسطح الخارجي المنحني للمحرك. يؤدي دخول السائل المحيط في التيار المتدفق فوق الرصاصة إلى تكوين منطقة ضغط منخفض فوقها (الرسوم التخطيطية 1-5). هذا، بالإضافة إلى الضغط المحيط ("العالي") أسفل الرصاصة، يُسبب قوة الرفع، أو الحركة الأمامية في اتجاه قمة الرصاصة عند تركيبه أفقيًا. [ 7 ]

يؤدي تدفق الهواء الحر إلى سحب جزيئات الهواء من محيطه المباشر، مما يُشكّل "أنبوبًا" أو "غلافًا" متناظرًا محوريًا منخفض الضغط حول التدفق (انظر الشكل 1). تعمل القوى الناتجة عن هذا الأنبوب منخفض الضغط على موازنة أي عدم استقرار في التدفق العمودي، مما يُثبّت التدفق في خط مستقيم. مع ذلك، إذا وُضع سطح صلب بالقرب من التدفق، وبشكل موازٍ له تقريبًا (الشكل 2)، فإن سحب (وبالتالي إزالة) الهواء من بين السطح الصلب والتدفق يُسبب انخفاضًا في ضغط الهواء على ذلك الجانب من التدفق، وهو انخفاض لا يمكن موازنته بنفس سرعة منطقة الضغط المنخفض على الجانب "المفتوح" من التدفق.

يؤدي فرق الضغط عبر النفث إلى انحرافه نحو السطح المجاور، ثم التصاقه به (الشكل 3). [ 7 ] [ 8 ] يلتصق النفث بالأسطح المنحنية بشكل أفضل (الشكل 4)، لأن كل تغيير (صغير للغاية) في اتجاه السطح يُجدد تأثير الانحناء الأولي للنفث. [ 8 ] [ 9 ] إذا لم يكن الانحناء حادًا جدًا، يمكن للنفث أن يلتصق بالسطح حتى بعد دورانه 180 درجة حول سطح أسطواني منحني، وبالتالي يسير في الاتجاه المعاكس. تُسبب القوى التي تُحدث هذه التغييرات قوة مساوية ومعاكسة على السطح الذي يتدفق عليه النفث. [ 8 ] يمكن تسخير هذه القوى لإحداث الرفع وأنواع أخرى من الحركة، اعتمادًا على اتجاه النفث والسطح الذي يلتصق به. [ 7 ] تعمل "حافة" سطحية صغيرة عند النقطة التي يبدأ عندها النفث بالتدفق فوق ذلك السطح (الشكل 5) على زيادة الانحراف الأولي لاتجاه تدفق النفث. وينتج هذا عن حقيقة تشكل دوامة ضغط منخفض خلف الحافة، مما يعزز الانخفاض نحو السطح. [ 7 ]

يمكن إحداث تأثير كواندا في أي سائل، ولذلك فهو فعال بنفس القدر في الماء والهواء. [ 7 ] يقلل تسخين الجنيح من مقاومة الهواء بشكل ملحوظ. [ 10 ]

شروط الوجود

توفر المصادر المبكرة معلومات نظرية وتجريبية ضرورية لاستخلاص تفسير مفصل لهذه الظاهرة. قد تحدث ظاهرة كواندا على طول جدار منحني، سواء في تيار حر أو تيار جداري .

في الصورة اليسرى من القسم السابق: "آلية تأثير كواندا"، يُعرَّف هذا التأثير، كما وصفه ت. يونغ بأنه "الضغط الجانبي الذي يُسهِّل انحناء تيار الهواء بالقرب من عائق"، بأنه تيار حرّ يخرج من فتحة وعائق في محيطه. ويتضمن ميل التيار الحرّ الخارج من الفتحة إلى سحب السائل من المحيط المحصور ذي الوصول المحدود، دون تكوين أي منطقة ضغط منخفض عندما لا يكون هناك عائق في المحيط، كما هو الحال على الجانب الآخر حيث يحدث خلط مضطرب عند الضغط الجوي.

في الصورة على اليمين، يظهر التأثير على طول الجدار المنحني على شكل تيار جداري . تمثل الصورة هنا على اليمين تيارًا جداريًا ثنائي الأبعاد بين جدارين مستويين متوازيين، حيث يمثل "العائق" جزءًا أسطوانيًا ربع دائري يتبع الفتحة المستطيلة الأفقية المسطحة، بحيث لا يتم سحب أي سائل من المحيط على طول الجدار، بل فقط على الجانب المقابل في حالة اختلاط مضطرب مع الهواء المحيط.

نفاثة جدارية

للمقارنة بين التجربة والنموذج النظري، يُشار إلى تيار جداري ثنائي الأبعاد مستوٍ بعرض ( h ) على طول جدار دائري بنصف قطر ( r ). يتبع التيار الجداري جدارًا أفقيًا مستويًا، ولنقل بنصف قطر لانهائي، أو بالأحرى بنصف قطر يساوي نصف قطر الأرض، دون انفصال، لأن ضغط السطح والضغط الخارجي في منطقة المزج يساويان الضغط الجوي في كل مكان، ولا تنفصل الطبقة الحدية عن الجدار.

قياسات ضغط السطح على طول جدار منحني دائريًا بنصف قطر ( r = 12 سم)، يحرف تيارًا هوائيًا مضطربًا ( عدد رينولدز = 10⁶ ) بعرض ( h ). يبدأ الضغط بالانخفاض قبل منشأ التيار، نتيجةً لتأثيرات موضعية عند نقطة خروج الهواء من الفوهة التي تُنشئ التيار. إذا كانت نسبة h / r (نسبة عرض التيار إلى نصف قطر انحناء الجدار ) أقل من 0.5 ، يُلاحظ تأثير كواندا الحقيقي، حيث يبقى ضغط الجدار المنحني عند هذا المستوى المنخفض (أقل من الضغط المحيط) حتى يصل التيار إلى نهاية الجدار (حينها يعود الضغط بسرعة إلى الضغط المحيط). أما إذا كانت نسبة h / r أكبر من 0.5، فإن التأثيرات الموضعية تحدث فقط عند منشأ التيار، وبعدها ينفصل التيار فورًا عن الجدار، ولا يحدث تأثير كواندا. تجارب أجراها كادوش وليرمان في مختبر كادوش، SNECMA. [ 11 ]

مع نصف قطر أصغر بكثير (12 سنتيمترًا في الصورة على اليمين)، ينشأ فرق عرضي بين الضغط الخارجي وضغط سطح الجدار للنفث، مما يُنشئ تدرجًا في الضغط يعتمد على نسبة الانحناء النسبي h / r . يمكن أن يظهر هذا التدرج في الضغط في منطقة قبل وبعد منشأ النفث حيث يتزايد تدريجيًا، ويختفي عند النقطة التي تنفصل عندها طبقة النفث الحدية عن الجدار، حيث يصل ضغط الجدار إلى الضغط الجوي (ويصبح التدرج العرضي صفرًا).

أظهرت التجارب التي أُجريت عام 1956 باستخدام نفاثات هواء مضطربة عند عدد رينولدز 10⁶ وبأطوال نفاثات مختلفة ( h ) الضغوط المقاسة على طول جدار منحني دائري بنصف قطر ( r ) عند سلسلة من المسافات الأفقية من منشأ النفاثة (انظر الرسم البياني على اليمين). [ 11 ] [ 12 ]

عند تجاوز نسبة h / r الحرجة 0.5 ، لا تُلاحظ سوى تأثيرات موضعية عند منشأ النفث ، تمتد بزاوية صغيرة قدرها 18° على طول الجدار المنحني. ثم ينفصل النفث فورًا عن الجدار المنحني. لذا، لا يُلاحظ هنا تأثير كواندا، بل مجرد التصاق موضعي: يظهر ضغط أقل من الضغط الجوي على الجدار على امتداد مسافة تُقابل زاوية صغيرة قدرها 9°، تليها زاوية مساوية قدرها 9° حيث يزداد هذا الضغط ليصل إلى الضغط الجوي عند انفصال الطبقة الحدية، خاضعًا لهذا التدرج الطولي الموجب. مع ذلك، إذا كانت نسبة h / r أصغر من القيمة الحرجة 0.5، فإن الضغط الأقل من الضغط المحيط ، والمقاس على الجدار عند منشأ النفث، يستمر على طول الجدار (حتى نهايته؛ انظر الرسم البياني على اليمين). هذا هو "تأثير كواندا الحقيقي" حيث يلتصق النفث بالجدار "عند ضغط ثابت تقريبًا" كما هو الحال في النفث الجداري التقليدي.

أظهر حساب أجراه وودز في عام 1954 [ 13 ] لتدفق غير لزج على طول جدار دائري أن هناك حلاً غير لزج مع أي انحناء h / r وأي زاوية انحراف معينة حتى نقطة انفصال على الجدار، حيث تظهر نقطة مفردة بميل لانهائي لمنحنى ضغط السطح.

توزيع الضغط على طول الجدار الدائري لنفث الجدار

بإدخال زاوية الانفصال المُستنتجة من التجارب السابقة لكل قيمة من قيم الانحناء النسبي h/r في الحساب ، تم الحصول على الصورة الموضحة هنا مؤخرًا [ 14 ] ، والتي تُظهر تأثيرات القصور الذاتي المُمثلة بالحل غير اللزج: يُشابه مجال الضغط المحسوب المجال التجريبي الموصوف أعلاه، خارج الفوهة. وينتج انحناء التدفق حصريًا عن تدرج الضغط العرضي، كما وصفه ت. يونغ. عندئذٍ، تُنتج اللزوجة طبقة حدية على طول الجدار واختلاطًا مضطربًا مع الهواء المحيط كما هو الحال في نفاث جداري تقليدي، باستثناء أن هذه الطبقة الحدية تنفصل بفعل الفرق بين الضغط المحيط النهائي وضغط سطحي أقل على طول الجدار. ووفقًا لفان دايك [ 15 ] ، كما ورد في كتابه "الرفع" ، فإن اشتقاق معادلته (4c) يُظهر أيضًا أن مساهمة الإجهاد اللزج في دوران التدفق ضئيلة.

ثمة طريقة بديلة تتمثل في حساب زاوية الانحراف التي تنفصل عندها الطبقة الحدية المعرضة لحقل الضغط غير اللزج. وقد جُرِّب حساب تقريبي يُعطي زاوية الانفصال كدالة لنسبة h / r ورقم رينولدز: [ 12 ]. تُعرض النتائج في الصورة، على سبيل المثال، 54° محسوبة بدلًا من 60° مقاسة عند h / r = 0.25 . يُستحسن إجراء المزيد من التجارب وحساب الطبقة الحدية بدقة أكبر.

أظهرت تجارب أخرى أُجريت عام 2004 باستخدام تيار جداري على طول جدار دائري أن تأثير كواندا لا يحدث في التدفق الصفائحي ، وأن نسب h / r الحرجة لأعداد رينولدز الصغيرة أصغر بكثير من تلك الخاصة بالتدفق المضطرب. [16] وصولاً إلى h/r = 0.14 عند عدد رينولدز 500 ، و h / r = 0.05 عند عدد رينولدز 100.

طائرة خاصة

أجرى إل سي وودز أيضًا حسابات التدفق ثنائي الأبعاد غير اللزج لنفث حر عرضه h، ينحرف حول سطح أسطواني دائري نصف قطره r، بين نقطة تلامس أولى A ونقطة انفصال B، مع مراعاة زاوية الانحراف θ . يوجد حل لأي قيمة للانحناء النسبي h / r والزاوية θ . علاوة على ذلك، في حالة النفث الحر، يمكن حل المعادلة بصيغة مغلقة، مما يعطي توزيع السرعة على طول الجدار الدائري. ثم يُحسب توزيع ضغط السطح باستخدام معادلة برنولي. لنفترض أن الضغط ( pa ) والسرعة ( va ) على طول خط الانسياب الحر عند الضغط المحيط، و γ الزاوية على طول الجدار التي تساوي صفرًا عند A و θ عند B. عندئذٍ ، تُحسب السرعة ( v ) على النحو التالي:

vvأ=خبرة(2حπردالة الظل العكسيسينه2(πθر4ح)-ضرب بالعصا2(πθر4ح)tanh2(πγر4ح)){\displaystyle {\frac {v}{v_{\mathrm {a} }}}=\exp \left({\frac {2h}{\pi r}}\arctan {\sqrt {\sinh ^{2}\left({\frac {\pi \theta r}{4h}}\right)-\cosh ^{2}\left({\frac {\pi \theta r}{4h}}\right)\tanh ^{2}\left({\frac {\pi \gamma r}{4h}}\right)}}\,\right)}

تم الحصول على صورة لتوزيع ضغط السطح للنفث حول السطح الأسطواني باستخدام نفس قيم الانحناء النسبي h / r ونفس الزاوية θ المستخدمة في نفث الجدار الموضح في الصورة على الجانب الأيمن هنا. يمكن الاطلاع على هذه الصورة في المرجع (15) صفحة 104 ، والصورتان متشابهتان إلى حد كبير: تأثير كواندا للنفث الحر هو تأثير قصوري، تمامًا مثل تأثير كواندا لنفث الجدار. مع ذلك، لا توجد قياسات تجريبية معروفة لتوزيع ضغط السطح المقابل. 

أجرى بورك ونيومان [ 17 ] تجارب عام 1959 لدراسة إعادة التصاق نفاثة مضطربة ثنائية الأبعاد بلوحة متوازية مُزاحة بعد احتواء فقاعة انفصال حيث تنحصر دوامة منخفضة الضغط (كما في الصورة 5 في القسم السابق). كما أجريت تجارب أخرى على نفاثة ثنائية الأبعاد متبوعة بلوحة مسطحة واحدة مائلة بزاوية بدلاً من الجدار المنحني دائريًا في الرسم التوضيحي على اليمين، والذي يصف تجربة نفاثة جدارية: تنفصل النفاثة عن اللوحة، ثم تنحني باتجاهها عندما يُسحب السائل المحيط بها وينخفض ​​الضغط، ثم تعود في النهاية للالتصاق بها، مُحتوِلةً فقاعة انفصال. تبقى النفاثة حرة إذا كانت الزاوية أكبر من 62 درجة.

في هذه الحالة الأخيرة، وهي الهندسة التي اقترحها كواندا، يدعي المخترع أن كمية السائل الذي يحمله النفاث من المحيط تزداد عندما ينحرف النفاث، وهي ميزة يتم استغلالها لتحسين عملية تنظيف محركات الاحتراق الداخلي، ولزيادة معامل الرفع الأقصى للجناح، كما هو موضح في التطبيقات أدناه.

تم قياس توزيع ضغط السطح وكذلك مسافة إعادة الالتحام على النحو الواجب في كلتا الحالتين، وتم تطوير نظريتين تقريبيتين لمتوسط ​​الضغط داخل فقاعة الفصل، وموضع إعادة الالتحام، والزيادة في تدفق الحجم من الفتحة: وكان التوافق مع التجربة مرضياً.

التطبيقات

الطائرات

تُستخدم ظاهرة كواندا في العديد من أجهزة الرفع العالي في الطائرات ، حيث يُمكن "ثني" الهواء المتحرك فوق الجناح نحو الأسفل باتجاه الأرض باستخدام رفرفات ونفث هواء يمر فوق السطح المنحني للجناح. وينتج عن انحناء التدفق قوة رفع ديناميكية هوائية . [ 18 ] كما يُنتج تدفق الهواء من محرك نفاث عالي السرعة مُثبّت في حاوية فوق الجناح قوة رفع مُتزايدة من خلال زيادة تدرج السرعة بشكل كبير في تدفق القص في الطبقة الحدية. وفي ظل هذا التدرج في السرعة، تُدفع الجسيمات بعيدًا عن السطح، مما يُقلل الضغط هناك. بعد متابعة عمل كواندا عن كثب في تطبيقات بحثه، وخاصة العمل على "Aerodina Lenticulară" الخاص به، [ 19 ] أمضى جون فروست من شركة Avro Canada أيضًا وقتًا طويلاً في البحث عن هذا التأثير، مما أدى إلى سلسلة من الطائرات الشبيهة بالمركبات الهوائية "المقلوبة" التي يخرج منها الهواء في حلقة حول الجزء الخارجي من الطائرة ويتم توجيهه من خلال "ربطه" بحلقة تشبه الرفرف.

أول طائرة من طراز أفروكار يتم تجهيزها في مصنع أفرو كندا عام 1958

يختلف هذا عن تصميم المركبة الهوائية التقليدية، حيث يُضخ الهواء إلى منطقة مركزية تُسمى " الحجرة "، ويُوجه إلى الأسفل باستخدام "غطاء" قماشي. لم يُبنَ سوى تصميم واحد من تصميمات فروست، وهو Avro Canada VZ-9 Avrocar .

كانت طائرة أفروكار (التي تُعرف غالبًا باسم "VZ-9") طائرة كندية للإقلاع والهبوط العمودي ، طورتها شركة أفرو للطائرات كجزء من مشروع عسكري أمريكي سري نُفذ في السنوات الأولى من الحرب الباردة . [ 20 ] كان الهدف من أفروكار هو استغلال تأثير كواندا لتوفير قوة الرفع والدفع من خلال "توربين دوار" واحد ينفث العادم من حافة الطائرة القرصية الشكل، مما يوفر أداءً مشابهًا للإقلاع والهبوط العمودي. في الجو، كانت ستشبه طبقًا طائرًا . تم بناء نموذجين أوليين كمركبتين اختباريتين "لإثبات المفهوم" لمقاتلة أكثر تطورًا تابعة لسلاح الجو الأمريكي، وكذلك لتلبية متطلبات طائرة قتالية تكتيكية تابعة للجيش الأمريكي. [ 21 ]

صمم مشروع Avro 1794 لعام 1956 للجيش الأمريكي طبقًا طائرًا أكبر حجمًا يعتمد على تأثير Coandă وكان يهدف إلى الوصول إلى سرعات تتراوح بين 3 ماخ و 4  ماخ. [ 22 ] ظلت وثائق المشروع سرية حتى عام 2012. 

تم تطبيق هذا التأثير أيضًا خلال مشروع النقل المتقدم متوسط ​​المدى قصير الإقلاع والهبوط (AMST) التابع لسلاح الجو الأمريكي . وقد صُممت عدة طائرات، أبرزها طائرة بوينغ YC-14 (أول طائرة حديثة تستغل هذا التأثير)، وطائرة ناسا البحثية الهادئة قصيرة المدى ، وطائرة أسوكا البحثية التابعة للمختبر الوطني الياباني للفضاء، للاستفادة من هذا التأثير، وذلك بتركيب محركات توربينية مروحية أعلى الأجنحة لتوفير هواء عالي السرعة حتى عند سرعات الطيران المنخفضة. ولكن حتى الآن، لم تدخل الإنتاج سوى طائرة واحدة تستخدم هذا النظام على نطاق واسع، وهي طائرة أنتونوف An-72 . وتستخدم الطائرة المائية شين ميوا US-1A نظامًا مشابهًا، إلا أنها توجه تيار الهواء الناتج عن محركاتها التوربينية المروحية الأربعة فوق الجناح لتوليد قوة رفع عند السرعات المنخفضة. والأكثر تميزًا، أنها تتضمن محركًا توربينيًا خامسًا داخل القسم المركزي للجناح لتوفير الهواء اللازم لتشغيل اللوحات المتحركة بقوة . وتمنح إضافة هذين النظامين الطائرة قدرةً رائعة على الإقلاع والهبوط قصير المدى.

يستبدل محرك كواندا (العناصر 3، 6-8) دوار الذيل في مروحية نوتار . 1. مدخل الهواء. 2. مروحة متغيرة الميل. 3. ذراع الذيل مزود بفتحات كواندا. 4. مثبتات رأسية. 5. دافع نفاث مباشر. 6. تيار سفلي. 7. مقطع عرضي لذراع الذيل للتحكم في الدوران. 8. رفع مضاد لعزم الدوران.
رسم توضيحي لطائرة بلاكبيرن بوكانير . تم تسليط الضوء على فتحات التهوية عند الحواف الأمامية للجناح ، والسطح الخلفي ، والقلابات / الجنيحات . تساهم هذه الخصائص الديناميكية الهوائية في تدفق الهواء فوق الجناح.
تحتوي طائرة C-17 Globemaster III على أجنحة خارجية يتم نفخ جزء من تدفق المحرك من خلال فتحات الأجنحة ليتم توجيهه فوق الأسطح العلوية بواسطة تأثير كواندا.

تستخدم طائرة ماكدونيل دوغلاس YC-15 التجريبية ، وطائرة بوينغ C-17 غلوب ماستر III المُشتقة منها ، هذا التأثير أيضاً. تستبدل طائرة NOTAR المروحية الدوارة التقليدية في الذيل بمروحة تعمل بتأثير كواندا (انظر الرسم التوضيحي على اليسار).

ساهمت الدراسات العلمية التي نشرها مشروع ACHEON التابع للبرنامج الإطاري السابع للاتحاد الأوروبي في فهم أفضل لتأثير كواندا. [ 23 ] استخدم هذا المشروع فوهة متناظرة خاصة لإنتاج نموذج فعال لتأثير كواندا، [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] وحدد تكوينات مبتكرة لطائرات الإقلاع والهبوط القصيرين (STOL) بناءً على هذا التأثير. [ 27 ] [ 28 ] وقد توسعت هذه الجهود من قبل شركة دراغان في قطاع الآلات التوربينية، بهدف تحسين شكل الشفرات الدوارة من خلال عمل مركز كوموتي الروماني للأبحاث في مجال الآلات التوربينية. [ 29 ] [ 30 ]

يُستخدم تأثير كواندا عمليًا في مصافي محطات الطاقة الكهرومائية المائلة ، [ 31 ] حيث تفصل الحطام والأسماك وغيرها من الشوائب التي قد تدخل في تدفق المياه إلى التوربينات. وبفضل ميل المصافي، يتساقط الحطام منها دون الحاجة إلى تنظيف ميكانيكي، كما أن أسلاك المصافي تُحسّن من تأثير كواندا، مما يسمح بتدفق المياه عبرها إلى أنابيب التوربينات.

تُستخدم ظاهرة كواندا في موزعات السوائل ذات النمط المزدوج في غسالات الزجاج الأمامي للسيارات. [ 32 ]

يعتمد مبدأ عمل عدادات التدفق التذبذبية أيضًا على ظاهرة كواندا. يدخل السائل إلى حجرة تحتوي على "جزيرتين". وبسبب تأثير كواندا، ينقسم التيار الرئيسي ويمر أسفل إحدى الجزيرتين. ثم يعود هذا التدفق إلى التيار الرئيسي، مما يؤدي إلى انقسامه مرة أخرى، ولكن في اتجاه الجزيرة الثانية. تتكرر هذه العملية طالما يدور السائل في الحجرة، مما ينتج عنه تذبذب ذاتي يتناسب طرديًا مع سرعة السائل، وبالتالي مع حجم المادة المتدفقة عبر العداد. يلتقط مستشعر تردد هذا التذبذب ويحوله إلى إشارة تناظرية، مما يعطينا حجم السائل المتدفق. [ 33 ]

تكييف

في مجال تكييف الهواء ، يُستغل تأثير كواندا لزيادة مدى انتشار الهواء الخارج من موزع الهواء المثبت في السقف . ولأن هذا التأثير يجعل الهواء يلتصق بالسقف، فإنه يقطع مسافة أطول قبل أن يسقط بنفس سرعة التدفق مقارنةً بما لو كان الموزع مثبتًا في الهواء الطلق دون وجود السقف المجاور. انخفاض سرعة التدفق يعني انخفاض مستوى الضوضاء، وفي حالة أنظمة تكييف الهواء ذات الحجم المتغير للهواء (VAV)، يسمح بنسب تخفيض أعلى . وتُظهر موزعات الهواء الخطية وموزعات الهواء ذات الفتحات ، التي تتميز بطول تلامس أكبر مع السقف، تأثير كواندا أكبر.

الرعاية الصحية

في طب القلب والأوعية الدموية ، يُفسر تأثير كواندا تدفق الدم المنفصل في الأذين الأيمن للجنين . [ 34 ] كما يُفسر سبب انجذاب وتشتت تيارات ارتجاع الصمام التاجي اللامركزية على طول أسطح جدار الأذين الأيسر المجاورة (ما يُسمى "التيارات المُلتصقة بالجدار" كما تُرى في تصوير دوبلر الملون بالموجات فوق الصوتية). لهذا أهمية سريرية لأن المساحة المرئية (وبالتالي شدة) لهذه التيارات اللامركزية المُلتصقة بالجدار غالبًا ما تُقلل مقارنةً بالتيارات المركزية الأكثر وضوحًا. في هذه الحالات، تُفضل الطرق الحجمية، مثل طريقة مساحة سطح السرعة المتساوية القريبة (PISA)، لتحديد شدة ارتجاع الصمام التاجي .

في مجال الطب، يُستخدم تأثير كواندا في أجهزة التنفس الاصطناعي. [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]

علم الأرصاد الجوية

في علم الأرصاد الجوية ، طُبقت نظرية تأثير كواندا على بعض التيارات الهوائية الخارجة من سلاسل جبلية مثل جبال الكاربات وجبال الألب الترانسيلفانية ، حيث لوحظت آثارها على الزراعة والنباتات. ويبدو أنها تؤثر أيضاً في وادي الرون في فرنسا وبالقرب من بيغ دلتا في ألاسكا. [ 38 ]

سباقات السيارات

في سباقات الفورمولا 1 ، استغلت فرق ماكلارين، وساوبر، وفيراري، ولوتس تأثير كواندا، بعد أن قدمه أدريان نيوي (فريق ريد بول) لأول مرة عام 2011، وذلك لإعادة توجيه غازات العادم عبر المشتت الخلفي بهدف زيادة قوة الضغط السفلية على مؤخرة السيارة. [ 39 ] إلا أنه مع التغييرات التي أدخلها الاتحاد الدولي للسيارات (FIA) على اللوائح منذ بداية موسم 2014 ، تم إلغاء فكرة إعادة توجيه غازات العادم للاستفادة من تأثير كواندا، وذلك بسبب الشرط الإلزامي الذي يمنع وجود أي أجزاء من هيكل السيارة مصممة للمساهمة في التأثير الديناميكي الهوائي خلف نظام العادم مباشرةً. [ 40 ]

الموائع

في مجال الموائع ، تم استخدام تأثير كواندا لبناء مذبذبات متعددة ثنائية الاستقرار ، حيث يلتصق تيار التشغيل (الهواء المضغوط) بجدار منحني واحد أو آخر، ويمكن لأشعة التحكم تبديل التيار بين الجدران.

خلاط

تُستخدم ظاهرة كواندا أيضًا لخلط سائلين مختلفين في الخلاط. [ 41 ] [ 42 ]

توضيح

يمكن توضيح تأثير كواندا بتوجيه تيار هواء صغير لأعلى بزاوية فوق كرة تنس طاولة. ينجذب التيار إلى السطح العلوي للكرة ويتبعه، ملتفًا حولها، نتيجةً لتسارع الهواء (القطري) حول الكرة (تباطؤه ودورانه). مع تدفق هواء كافٍ، يتوازن هذا التغير في الزخم مع قوة معاكسة مساوية ومعاكسة تؤثر على الكرة وتدعم وزنها. يمكن إجراء هذا التوضيح باستخدام مجفف شعر على أقل إعداد أو مكنسة كهربائية إذا أمكن توصيل مخرجها بالأنبوب وتوجيهه لأعلى بزاوية.

من المفاهيم الخاطئة الشائعة أن تأثير كواندا يظهر عند تدفق تيار من ماء الصنبور فوق ظهر ملعقة موضوعة برفق في التيار، ثم تُسحب الملعقة إلى داخله (على سبيل المثال، يستخدم ماسي 1979 ، الشكل 3.12، تأثير كواندا لتفسير انحراف الماء حول أسطوانة). مع أن التدفق يبدو مشابهًا جدًا لتدفق الهواء فوق كرة تنس الطاولة المذكورة أعلاه (لو أمكن رؤية تدفق الهواء)، إلا أن السبب ليس تأثير كواندا في الواقع. هنا، ولأنه تدفق ماء في الهواء، فإن انجراف السائل المحيط (الهواء) إلى تيار الماء ضئيل. يهيمن التوتر السطحي على هذا المثال تحديدًا . ( يذكر ماكلين 2012 ، الشكل 7.3.6، أن انحراف الماء "يُظهر في الواقع التجاذب الجزيئي والتوتر السطحي") .

من الطرق الأخرى لتوضيح ذلك توجيه تدفق الهواء، مثلاً من مكنسة كهربائية تعمل في الاتجاه المعاكس، بشكل مماس حول أسطوانة دائرية. سلة المهملات تُعدّ خياراً مناسباً. يبدو تدفق الهواء وكأنه "يلتف" حول الأسطوانة، ويمكن رصده بزاوية تزيد عن 180 درجة من اتجاه التدفق. في ظل الظروف المناسبة، كسرعة التدفق ووزن الأسطوانة ونعومة السطح الذي تستقر عليه، تتحرك الأسطوانة بالفعل. تجدر الإشارة إلى أن الأسطوانة لا تتحرك مباشرةً في اتجاه التدفق كما قد يُتوقع عند تطبيق تأثير برنولي بشكل خاطئ ، بل تتحرك بشكل قطري.

يمكن إثبات تأثير كواندا بوضع علبة أمام شمعة مشتعلة، بحيث عندما يكون خط النظر محاذيًا لأعلى العلبة، يختفي لهب الشمعة تمامًا خلفها. إذا نفخ المرء مباشرةً على العلبة، ستنطفئ الشمعة رغم وجود العلبة في طريق النفخ. والسبب في ذلك هو أن تدفق الهواء الموجه نحو العلبة ينحني حولها ويصل إلى الشمعة ليطفئها، وفقًا لتأثير كواندا.

المشاكل الناجمة

بصرف النظر عن المزايا العديدة المحتملة لتأثير كواندا الذي يتم استغلاله في الهندسة، فإن استخدامه يمكن أن يولد عيوبًا أيضًا.

في أنظمة الدفع البحري، قد تتأثر كفاءة المروحة أو الدافعة بشكل كبير بتأثير كواندا. وتعتمد القوة المؤثرة على السفينة بفعل المروحة على سرعة وحجم واتجاه تيار الماء الخارج منها. في ظروف معينة (مثل حركة السفينة في الماء)، يُغير تأثير كواندا اتجاه تيار المروحة، مما يجعله يتبع شكل هيكل السفينة . تتناقص القوة الجانبية الناتجة عن دافعة نفقية في مقدمة السفينة بسرعة مع زيادة السرعة الأمامية. [ ج ] وقد تختفي هذه القوة الجانبية تمامًا عند سرعات تتجاوز 3 عقد تقريبًا. [ 43 ] إذا طُبِّق تأثير كواندا على فوهات متناظرة الشكل، فإنه يُسبب مشاكل رنين. [ 28 ]

انظر أيضاً

مراجع

ملحوظات

  1. «تأثير كواندا هو ظاهرة رُصدت لأول مرة عام 1910 على يد عالم الرياضيات والمهندس هنري كواندا. اكتشف كواندا أنه عند قذف الهواء من فوهة مستطيلة، فإنه يلتصق بلوحة مسطحة مائلة متصلة بمخرج الفوهة. ولتأكيده على ضرورة وجود زاوية حادة بين الفوهة واللوحة المسطحة، طبّق كواندا هذا المبدأ على سلسلة من الأسطح المنحنية، كل منها بزاوية حادة مع السطح السابق، ونجح في توجيه التدفقات بزوايا تصل إلى 180 درجة. وذكر أن «نفث السائل عندما يمر فوق سطح منحني، فإنه ينحني ليتبع السطح، ساحباً معه كميات كبيرة من الهواء»، وقد عُرفت هذه الظاهرة باسم تأثير كواندا . ( لوبيرت 2011 ، ص 144-153)
  2. يُكمّل ضغط تيار الهواء ضغط الغلاف الجوي، مما يجعل الماء أو السوائل الأخرى تطفو بسلاسة. عند النفخ على جزء من الماء، يزداد الضغط قليلاً، مما يدفع الماء للتحرك. وجّه لهبًا موازيًا لسائل، أو اغمر شمعة حتى فتيلها تقريبًا، وستلاحظ ارتفاعًا طفيفًا في السائل، حيث تُخفّض حرارة اللهب ضغط الغلاف الجوي عليه. كلما كان اللهب أشد حرارة وأقرب إلى السطح، كان التأثير أكبر. ( يونغ، ١٨٠٠ )
  3. يمكن حل هذه المشكلة من خلال تصميم دقيق لكل من المروحة والهيكل، مع مراعاة التحسين الأمثل من وجهة نظر ديناميكا الموائع. ( لين، 1992 )

الاقتباسات

  1. تريتون، دي جيه ، ديناميكا الموائع الفيزيائية، فان نوستراند رينهولد، 1977 (أعيد طبعه عام 1980)، القسم 22.7، تأثير كواندا.
  2. "تعريف تأثير كواندا" . قاموس ميريام-ويبستر .
  3. "تأثير كواندا" . الموسوعة الإلكترونية لكولومبيا ( الطبعة السادسة). 2013. مؤرشف من الأصل في 18 يناير 2012. 
  4. كواندا، هـ. براءة اختراع أمريكية رقم 2,052,869؛ "جهاز لتحويل مسار تيار من سائل مرن يتم إسقاطه في سائل مرن (1936)".
  5. كواندا هـ. (1936أ)، براءة اختراع أمريكية رقم 3,261,162، جهاز رفع تأثير كواندا، الولايات المتحدة الأمريكية
  6. إيسنر، توماس (2005)، من أجل حب الحشرات ، مطبعة جامعة هارفارد، ص 177، ISBN  978-0-674-01827-3
  7. ريبا ، إيمانتس (يونيو 1966). "تطبيقات تأثير كواندا". مجلة ساينتفك أمريكان . 214 ( 6 ): 84-921 . Bibcode : 1966SciAm.214f..84R . doi : 10.1038/scientificamerican0666-84 .
  8. 1 2 3 تأثير كواندا ، تم الاطلاع عليه بتاريخ 17 نوفمبر 2017
  9. جيف راسكين: تأثير كواندا: فهم كيفية عمل الأجنحة. تم الاطلاع عليه بتاريخ 17 نوفمبر 2017
  10. درينكال، تيموثي. "زيادة قوة رفع الجنيح عبر التضخيم الاصطناعي لتأثير كواندا باستخدام الحرارة" . الملخص: ابحث في قاعدة بيانات مشاريع ISEF، ملخصات المرشحين النهائيين . جمعية العلوم. مؤرشف من الأصل في 8 يونيو 2021. تم الاسترجاع في 8 يونيو 2021 .{{cite web}}: CS1 maint: bot: حالة عنوان URL الأصلي غير معروفة ( رابط )
  11. 1 2 كادوش، م. (أبريل 1958). ""Déviation d'un jet par adhérence à une paroi convexe" [ انحراف التيار النفاث عن طريق الالتصاق بجدار محدب ] . جورنال دي فيزيك إت لو راديوم . باريس: 1-12 أ.
  12. 1 2 كادوش، م. (3 يناير 1967). تأثير الجدار المنحني . المؤتمر الثاني لعلوم الموائع في كرانفيلد. كامبريدج.
  13. وودز، إل سي (1954). "تدفق دون صوتي قابل للانضغاط في قنوات ثنائية الأبعاد ذات شروط حدودية مختلطة". المجلة الفصلية للميكانيكا والرياضيات التطبيقية . 7 (3): 263-282 . doi : 10.1093/qjmam/7.3.263 .
  14. ^ كادوش، م. (2015). "Coandă et le jet qui sulève les aeronefs" [ كواندا والطائرة التي ترفع المناطيد ] . أوهام الخلق . إنشاء الفضاء وكيندل. ص 91 – 112. 
  15. فان دايك، م. (1969). "نظرية الطبقة الحدية من الرتبة العليا". المراجعة السنوية لميكانيكا الموائع . 1 (1): 265. Bibcode : 1969AnRFM...1..265D . doi : 10.1146/annurev.fl.01.010169.001405 .
  16. فيت، ت.؛ مارسيك، ف. (15-21 أغسطس 2004). دراسة تجريبية ونظرية لنفث كواندا المسخن . المؤتمر الدولي الحادي والعشرون للميكانيكا النظرية والتطبيقية.
  17. بورك، سي.؛ نيومان، بي جي (أغسطس 1960). "إعادة ربط نفاثة ثنائية الأبعاد غير قابلة للانضغاط بلوحة مسطحة مجاورة". المجلة الفصلية للملاحة الجوية . 11 (3): 201-232 . doi : 10.1017/S0001925900001797 .
  18. "الرفع الناتج عن دوران التدفق" . مركز أبحاث غلين التابع لناسا . مؤرشف من الأصل بتاريخ 2011-07-05.
  19. "ديناميكا الموائع" بقلم ميهايلا ماريا تاناسيسكو، جامعة تكساس التقنية . مؤرشف من الأصل بتاريخ 16 أغسطس 2009. تم الاطلاع عليه بتاريخ 25 مايو 2008 .
  20. ^ يني 2003، ص 281 – 283.
  21. ميلبيري 1979، ص 137.
  22. "رفع السرية عن الصحن الطائر الأسرع من الصوت التابع لسلاح الجو الأمريكي في خمسينيات القرن الماضي - إكستريم تك" . www.extremetech.com . 8 أكتوبر 2012.
  23. ACHEON-Aerial Coanda High Efficiency Orienting jet Nozzle, European Commission, Project reference: 309041, Funded in under: FP7.” TRANSPORT (2011).
  24. ^ ترانكوسي وآخرون. 2014 ، ص. 83.
  25. ^ داس وآخرون. 2014 ، ص 181-202.
  26. سوبهاش ودوماس 2013 ، ص 260-272.
  27. ترانكوسي وآخرون 2016 .
  28. 1 2 Das et al. 2015 .
  29. دراغان 2014 ب، ص 35-41.
  30. دراغان 2014 أ، ص 25.
  31. الطاقة الكهرومائية في الولايات المتحدة مؤرشفة في 2010-06-21 في Wayback Machine ، تأثير كواندا المستخدم في تصميم شاشة الحطام.
  32. US 4210283 "فوهة غسيل الزجاج الأمامي بنمط مزدوج" 
  33. سبيتزر، ديفيد دبليو. "قياس التدفق الصناعي". جمعية الأدوات الأمريكية، 1990.
  34. أشرفيان 2006 ، ص 300.
  35. قديسات، إي واي (2008). "تأثير كواندا كتفسير لعدم تساوي تهوية الرئتين لدى مريض مُنَبَّب؟" . المجلة البريطانية للتخدير . 100 (6): 859-860 . doi : 10.1093/bja/aen111 . PMID 18483115 . 
  36. "جهاز التنفس الصناعي السائل" . TheFreeDictionary.com .
  37. رانجابا 2009 ، ص 486.
  38. جايلز 1977 ، ص 273-279.
  39. "مكلارين MP4-27 - وضعية العادم" . فورمولا 1. مؤرشف من الأصل بتاريخ 25-03-2012.
  40. "تغييرات موسم 2012" . الفورمولا 1. مؤرشف من الأصل بتاريخ 11-03-2012.
  41. هونغ، تشين-تشونغ؛ تشوي، جين-وو؛ آن، تشونغ هـ. (2004). "خلاط ميكروفلويدي سلبي جديد في المستوى مع هياكل تسلا معدلة". مختبر على رقاقة . 4 (2): 109-113 . doi : 10.1039/b305892a . ISSN 1473-0197 . PMID 15052349 .  
  42. هونغ، تشين-تشونغ؛ تشوي، جين-وو؛ آهن، تشونغ هـ. (2001)، "خلاط دقيق سلبي جديد في المستوى باستخدام تأثير كواندا"، أنظمة التحليل الكلي الدقيق 2001 ، سبرينغر هولندا، ص 31-33 ، doi : 10.1007/978-94-010-1015-3_11 ، ISBN  9789401038935
  43. كلارك، آي سي (2005)، ديناميكيات السفن للبحارة ، لندن: المعهد البحري

مصادر