L'effet Coandă est un phénomène physique en mécanique des fluides qui fait référence à la tendance des fluides, comme l'air ou l'eau, à adhérer à une surface courbe au lieu de suivre une trajectoire droite.
Ce phénomène de dynamique des fluides peut être observé dans diverses situations depuis le vol d'un avion jusqu'au fonctionnement d'une turbine à vapeur.
Explication physique
Pour mieux comprendre l’effet Coandă, il est utile de rappeler quelques notions de base sur la nature des fluides. Les fluides, qu'ils soient liquides ou gazeux, ont tendance à se déplacer des zones à haute pression vers les zones à basse pression.
Lorsque l’air circule autour d’une surface courbe, la pression de l’air à l’extérieur de la courbe est plus élevée qu’à l’intérieur. Cela crée une force qui pousse l’air vers la surface courbe, l’obligeant à y adhérer au lieu de continuer en ligne droite.
Les particules fluides adhèrent à la surface grâce à une combinaison de forces agissant sur elles. Lorsqu'un fluide, qu'il s'agisse d'un gaz ou d'un liquide, s'écoule sur une surface courbe, des différences de pression du fluide le long de la surface sont générées, ce qui génère une force résultante qui agit sur les particules de fluide, les poussant vers la surface courbe.
Couche limite
L’un des facteurs clés contribuant à cette adhésion est le gradient de vitesse du fluide. Dans la couche limite, qui est la région du fluide qui est en contact direct avec la surface, la vitesse du fluide diminue progressivement de zéro à la surface jusqu'à la valeur d'écoulement libre.
Cette diminution de vitesse crée un gradient de vitesse qui induit une force de traînée sur les particules fluides, les attirant vers la surface.
Viscosité du fluide
De plus, la viscosité du fluide joue également un rôle important. La viscosité est la résistance du fluide à l'écoulement et affecte le comportement des couches de fluide adjacentes à la surface.
En présence d'une surface courbe, la viscosité du fluide fait adhérer les particules en contact avec la surface, en suivant son contour au lieu de se séparer et en suivant un chemin rectiligne.
Explication moléculaire
D'un point de vue moléculaire, l'adhésion des particules fluides à une surface peut être comprise en termes de forces intermoléculaires et de mouvement de molécules individuelles au sein du fluide.
Dans un fluide, les molécules sont constamment en mouvement et entrent en collision les unes avec les autres. Lorsque le fluide s'écoule sur une surface solide, les molécules de la couche limite qui est en contact direct avec la surface subissent des forces d'attraction vers la surface en raison des interactions intermoléculaires.
Par exemple, dans le cas de l’air, les molécules de gaz interagissent principalement par le biais des forces de Van der Waals et des attractions dipolaires-dipôles. Ces forces attirent les molécules d’air proches de la surface solide.
À mesure que les molécules fluides s’approchent de la surface solide, leur vitesse diminue en raison de ces forces d’attraction et des collisions avec d’autres molécules. Cela entraîne une diminution progressive de la vitesse du fluide à mesure que nous nous rapprochons de la surface solide, créant le gradient de vitesse caractéristique de la couche limite mentionné ci-dessus.
Du point de vue de la viscosité, dans un fluide visqueux, les molécules sont plus étroitement liées les unes aux autres, ce qui augmente la résistance à l'écoulement et permet aux molécules en contact avec la surface solide d'y adhérer plus facilement.
Découverte du phénomène : Henri Coandă
La découverte de l'effet Coandă a eu lieu grâce à l'ingénieur roumain Henri Coandă dans les années 1930. Coandă expérimentait avec un moteur à réaction qu'il avait conçu lorsqu'il a remarqué un phénomène inattendu : le flux d'air ne se comportait pas comme prévu.
Coandă a observé que lorsqu'un jet d'air sortait d'un tube et passait sur une surface courbe, telle que le bord d'une assiette, au lieu de maintenir une trajectoire droite, l'air adhérait à la surface courbe et la suivait. Cette découverte contredisait les attentes conventionnelles concernant le comportement des fluides en mouvement.
Il a ensuite étudié ce phénomène plus en profondeur et a découvert que l'effet était dû à des différences de pression d'air le long de la surface incurvée, qui généraient une force d'aspiration qui tirait le flux d'air vers la surface.
Exemples et applications
Ce principe a des implications importantes dans divers domaines de la physique, de la vie quotidienne et de l'ingénierie.
Aviation
Par exemple, dans l’aviation, cet effet est exploité dans la conception des ailes et des gouvernes des avions.
Sur une aile d'avion, l'effet Coandă se produit lorsque l'air circulant sur la surface supérieure de l'aile adhère à son contour incurvé, créant une zone de basse pression. Il en résulte une différence de pression qui génère de la portance, permettant à l'avion de rester en l'air.
D'autre part, dans une hélice d'hélicoptère, l'effet Coandă entraîne le flux d'air vers le bas, fournissant la poussée nécessaire pour soulever l'hélicoptère. Les deux phénomènes illustrent comment la conception aérodynamique tire parti du flux d’air pour réaliser le vol et la propulsion.
Météorologie et courants de vent
L'effet Coandă a également des implications en météorologie, notamment dans la formation et le comportement des nuages et des vents atmosphériques. L'effet Coandă peut influencer la direction et la vitesse du flux atmosphérique autour d'obstacles naturels, tels que les montagnes, les bâtiments et les plans d'eau.
Lorsque le vent circule autour d'une montagne, par exemple, quelque chose de similaire à l'effet Coandă se produit : le vent a tendance à coller à la surface de la montagne et à suivre son contour au lieu de passer directement au-dessus d'elle.
Cela peut conduire à des phénomènes météorologiques intéressants, tels que la formation de nuages lenticulaires au sommet des montagnes, où l'air humide se refroidit et se condense lorsqu'il s'élève au-dessus de la montagne, puis descend du côté opposé.
De plus, cela peut également influencer la direction du vent dans les zones urbaines où se trouvent des bâtiments et des structures. Le vent circulant autour des bâtiments peut suivre leurs contours et créer des zones de vent accéléré ou tourbillonnant.
Énergie éolienne
Les éoliennes sont des appareils utilisés pour convertir l'énergie cinétique du vent en énergie électrique. Dans ces systèmes, le flux d'air autour des pales de l'éolienne est influencé par l'effet Coandă, qui affecte ses performances et sa capacité de production d'électricité.
Lorsque le vent circule sur les pales de l’éolienne, l’air a tendance à adhérer à la surface incurvée des pales et à suivre leur contour plutôt que de circuler directement à travers elles.
En suivant le contour des pales, le flux d'air crée des différences de pression qui génèrent des forces aérodynamiques, entraînant ainsi le mouvement des pales et générant de l'énergie mécanique. Cette énergie mécanique est ensuite convertie en énergie électrique grâce à un générateur.
Turbines à vapeur
L'effet Coandă peut également influencer la conception et le fonctionnement des turbines à vapeur dans une centrale nucléaire. Ces turbines convertissent l'énergie thermique de la vapeur générée par le réacteur nucléaire en énergie mécanique pour produire de l'électricité.
Dans une turbine à vapeur, la vapeur d'eau à haute pression est dirigée à travers une série d'aubes fixes et mobiles dans la turbine. Lorsque la vapeur circule sur ces pales, elle se dilate et subit une diminution de pression, générant des forces de poussée qui font tourner la turbine.
Lorsque la vapeur circule sur les pales, elle a tendance à adhérer aux surfaces courbes des pales et à suivre leurs contours. Cette adhésion de la vapeur d'eau aux pales affecte l'écoulement de la vapeur et la répartition des forces de poussée à la surface des pales en fonction de leur forme et de leur disposition.