Effet Coanda

Simulation numérique effectuée sur STAR CCM+ de la société CD Adapco qui permet de visualiser l'effet Coanda via le soufflage des gaz brûlés en sortie du Thermoréacteur sur l'extrados d'une voilure :
Le fluide reste "collé" à la paroi malgré la très forte déviation !
Avec l'aimable autorisation de Dassault Systèmes -"Passion for Innovation".

Principe de l'Effet Coanda

L’étonnant effet Coanda est cette propriété qui fait que tout fluide (liquide ou gazeux) a tendance à suivre et rester en contact avec une courbure aussi prononcée soit elle !

De très nombreux essais et explorations ont été menés sur cet effet comme la NASA (USA) et l’ONERA (la Nasa française). L’exemple ci-dessous montre la solution apportée par l’ONERA sur un profil symétrique : à partir d’une incidence supérieure à 15°, il y a décrochage sur l’extrados (figure supérieure gauche), c’est-à-dire que la portance s’écroule, et donc l’aile ne porte plus. Pour pallier cet effet, l’ONERA a introduit des pompes à l’intérieure de l’aile afin d’aspirer l’air sur ce même extrados : l’air recolle alors au profil, et la portance y est totalement maintenue malgré la forte incidence. Mais l’inconvénient était que les orifices finissaient par se boucher !

Sur l’illustration de droite où un profil est positionné à une incidence de 45° pendant que le flux souffle sur l’extrados à la vitesse de 100 m/s. Cette simulation faisait suite aux essais en soufflerie menée à l’ISAE/ENSICA en 2008 dans le cadre d’un PFE de 3e année. Un constat alors : La déviation du jet atteignait les 70° !

Il est alors possible de conclure en disant que l’effet Coanda peut être utilisé pour dévier des jets à haute vitesse grâce à cet effet.
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Exemples d'application

Application passée : YC14 de Boeing dans les années 70

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Application à Xplorair

Inconvénient majeur

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Il s’avère que si le déviateur de jet COANDA est une solution très élégante, il demeure néanmoins une résultante rédhibitoire pour le décollage vertical : la « traînée » ou encore la composante horizontale qui s’oppose à la vitesse en croisière. Certes, dans l’application de Boeing et son Y14 une composante verticale était bien profitable à la portance globale, et donc permettait des longueurs de décollage beaucoup plus courtes (> 30%), il n’en demeurait pas moins qu’en croisière cette composante horizontale réduisait d’autant la vitesse, et donc augmentait la consommation !

Les simulations effet Coanda

Fort donc de cette propriété, il s’agissait d’identifier les paramètres dimensionnant. La vitesse de soufflage V, l’épaisseur e du jet de soufflage, et le rayon de courbure R en sont les premiers. De fait, quelques simulations numériques ont été menées sur les variations du rayon R, et pour une vitesse de soufflage continue issue des ailes avant de l’aéronef Xplorair comme nous le verrons plus après :
Coanda, l’épaisseur « e », l’incidence, et le Rayon R

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Il se dégage alors un rayon optimal en termes de rapport.
Il était aussi intéressant d’explorer le gradient de vitesse dans le jet lui-même.

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Ces simulations révèlent aussi l’influence de l’épaisseur « e » du jet autant que l’angle d’incidence. Il semblerait, dans ce teste, que l’énergie reliée à l’épaisseur du jet ait une importance de premier degré. Bien entendu, l’incidence du profil, et donc la courbure imposée au flux est importante, mais une conclusion importante est que « l’hystérésis » est aussi du premier degré…

Enfin, sur la planche ci-dessous, il est utile de constater l’impact du jet, et surtout son étalement sur le sol en fonction du rayon de courbure. Notons aussi l’entrainement de l’air dans l’environnement immédiat du soufflage.

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Monsieur Henri Marie Coanda

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Henri Marie Coandă, né le 7 juin 1886 à Bucarest, est un ingénieur aéronautique roumain, pionnier du moteur à réaction.

Il suit une scolarité primaire et secondaire en France où son père est attaché d'ambassade. Étudiant à Iassy (Roumanie), il découvre l’aviation qui en est encore à ses premiers balbutiements et se sent attiré par tout ce qui touche au « plus lourd que l'air ». Élève de Rodin, il entreprend alors des études d'ingénieur, et fera partie de la première promotion de Supaéro Paris.

Cet incident sera le point de départ d'études approfondies qui aboutiront à la mise au point d'une tuyère dont le principe est toujours utilisé par les constructeurs de moteurs d'avion. C'est également l'origine de sa réflexion sur le déplacement des fluides que l'on appellera « Effet Coanda ».

En 1923, il fonde la société multicellulaire Coandă de construction de maisons préfabriquées. En 1939 il implante son usine dans les environs de Poitiers, et travaille à la mise au point de prototypes d'engins munis de turbopropulseurs, préfigurant des hydroglisseurs et de futures soucoupes volantes…

Henri Coandă regagne sa Roumanie natale où il meurt à Bucarest en 1972.

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