コアンダ効果

コアンダ効果：流体の不思議な挙動と広がる応用

コアンダ効果とは、粘性を持つ流体の噴流が、近くの壁面や凸状の表面に沿って流れ、引き寄せられる現象です。まるで噴流が壁面に吸い付くように見えることから、航空工学や流体力学において重要な役割を果たしています。

発見の歴史：ヤングからコアンダへ

コアンダ効果についての最初の記述は、驚くべきことに1800年まで遡ります。物理学者トマス・ヤングが、ロンドン王立協会で行った講演の中で、ロウソクの炎に吹きかけた空気が炎に引き寄せられる現象について言及していました。彼は、この現象の原因を、空気の噴流が障害物に沿って曲がる際に生じる圧力差にあると考察していました。

それから100年以上が経過した1910年、ルーマニアの航空技術者アンリ・コアンダは、自身が開発したジェットエンジン搭載の実験機「コアンダ=1910」の飛行試験中に、燃焼ガスが機体の胴体に沿って流れる現象を観測しました。この現象を著名な流体力学者セオドア・フォン・カルマンと議論した結果、この現象は「コアンダ効果」と名付けられることになります。コアンダは1934年にはこの効果に関する特許を取得しています。

コアンダ効果の原理：流体の引き込み

コアンダ効果の根本原因は、噴流の粘性による周囲の流体の引き込み（エントレインメント）にあります。噴流は流れに沿って運動量流束を一定に保とうとしますが、粘性によるエネルギー損失のため、質量流束は増加します。そのため、噴流周辺の流体が噴流方向へ加速され、さらに外側の流体や物体も噴流へと引き寄せられるのです。

壁面が噴流の近くに平行に存在する場合、噴流と壁面の間の流体が引き込まれることで、その不足分を補うように噴流と壁面が互いに引き合う力が生じます。これは、噴流と壁面の間の剥離泡が消える原理とも関連しています。この現象は、気体中の液体噴流の場合にも同様の機構で説明できます。また、噴流が乱流であるほど、この効果は強まります。

翼周りの流れとコアンダ効果

翼の上面を流れる空気の流れについても、コアンダ効果が言及されることがあります。しかし、翼周りの流れは噴流とは異なるため、コアンダ効果だけで説明するのは不正確であるという指摘もあります。翼の揚力は、主にベルヌーイの定理やクッタ・ジューコフスキーの定理によって説明されます。

コアンダ効果の応用：航空機から自動車まで

コアンダ効果は、様々な分野で応用されています。特に航空機分野では、翼の上面に噴流を吹き付けることで、揚力を向上させる境界層制御技術に利用されています。これは、迎え角が大きくなっても気流の剥離を防ぎ、失速を回避するために有効です。アッパーサーフェスブローイング（USB）方式はその代表的な例で、短距離離着陸性能の向上に貢献しました。

ヘリコプターにおいても、NOTARシステムのように、コアンダ効果を利用してテールローターを代替する技術が開発されています。これは、従来のテールローターに比べて騒音低減に効果があります。

さらに、かつてはF1において、排気ガスをコアンダ効果を利用してダウンフォース発生に利用するシステム（コアンダ・エキゾースト）が用いられていましたが、レギュレーション変更により廃止されました。

他にも、ダイソンの扇風機「エアマルチプライアー」は、噴流が周囲の空気を引き込む性質を利用した製品です。また、息をゆっくり吐くと暖かく、口をすぼめて強く吹き付けると冷たく感じるのも、コアンダ効果と似た現象の一種と言えます。

まとめ

コアンダ効果は、一見単純な現象に見えますが、その背景には流体力学における複雑なメカニズムが隠されています。この効果は、航空機から日常生活用品に至るまで、幅広い分野で応用されており、今後もその研究開発は継続していくでしょう。特に、より効率的な航空機設計や、環境に優しい技術開発への貢献が期待されています。

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