Efekt Coandy – w służbie Formuły 1

Po sezonie 2011 w Formule 1 FIA zabroniła stosowania dmuchanych dyfuzorów, które były wspomagane przez gazy wylotowe silnika. Świat Formuły 1 nie byłby jednak sobą, gdyby nie znalazł sposobu na obejście przepisów. Z pomocą przyszedł efekt Coandy, zjawisko odkryte ponad 100 lat temu. Na czym ono polega i jak znalazło się w świecie Formuły 1?

Po sezonie 2011 w Formule 1 FIA zabroniła stosowania dmuchanych dyfuzorów, które były wspomagane przez gazy wylotowe silnika. Świat Formuły 1 nie byłby jednak sobą, gdyby nie znalazł sposobu na obejście przepisów. Z pomocą przyszedł efekt Coandy, zjawisko odkryte ponad 100 lat temu. Na czym ono polega i jak znalazło się w świecie Formuły 1?

Wspomniane zjawisko fizyczne zaobserwował w 1910 roku rumuński pionier lotnictwa Henri Coanda podczas eksperymentów ze skonstruowanym przez siebie samolotem Coanda 1910, który wykorzystywał wczesną wersję silnika odrzutowego. Zauważył on, że strumień gazu (cieczy) wykazuje tendencje do przylegania do najbliższej powierzchni. W tym konkretnym przypadku dotyczyło to płonących gazów wydobywających się z silnika. Zamiast poruszać się po linii prostej, „przylgnęły” one do powierzchni kadłuba, który w efekcie uległ zapłonowi.

Efekt Coandy pozwala zatem w pewnym stopniu niejako sterować przepływem gazu lub cieczy. Wykorzystuje on w dużej mierze prawo Bernoulliego. Efektu Coandy nie należy jednak mylić ze zjawiskiem napięcia powierzchniowego cieczy. Wiele źródeł, chcąc zobrazować efekt Coandy, wskazuje na domowy eksperyment ze strumieniem wody oraz łyżką. Jest to w istocie dobry obraz tego, jak zachowuje się strumień powietrza (lub cieczy), ale w tym konkretnym przypadku kierunek strumienia wody jest w większej mierze zmieniony dzięki napięciu powierzchniowemu cieczy niż w wyniku efektu Coandy.

Co w takim razie, jeśli nie napięcie powierzchniowe, powoduje przyleganie strumienia gazu do powierzchni? W skrócie można by odpowiedzieć, że największy wpływ ma tutaj prawo Bernoulliego. Wynika ono bowiem z zasady zachowania energii i dotyczy bezwirowego przepływu nieściśliwych cieczy lub gazów. Nie zagłębiając się we wzory i wielkości fizyczne, prawo Bernoulliego mówi o jednej ważnej zależności – jeśli prędkość przepływu cieczy (gazu) na danej wysokości rośnie, to maleje ciśnienie.

Przypomnijcie sobie, jak powstaje siła nośna w samolotach. Powietrze opływające skrzydło ma różne prędkości nad i pod nim. Prędkość nad skrzydłem jest większa, a więc wytwarza się podciśnienie, z kolei pod skrzydłem wytwarza się nadciśnienie, dzięki czemu samolot unoszony jest do góry. Jak zatem efekt Coanda wykorzystuje prawo Bernoulliego?

Weźmy pod lupę strumień powietrza. Strumień oczywiście nie jest jednolity i dlatego jego prędkość w różnych punktach przekroju jest różna. Prędkość wewnątrz strumienia jest największa i powoduje obniżenie ciśnienia, co powoduje „zasysanie” cząstek otaczających strumień. Jeżeli w pobliżu znajdzie się jakaś ściana (powierzchnia) ograniczająca dopływ powietrza do strumienia, to może powstać podciśnienie, które spowoduje zakrzywienie strumienia w kierunku stycznym do powierzchni ściany. Dodatkowo strumień jest niejako hamowany ze względu na nierówności powierzchni. Zewnętrzna część strumienia pokonuje więc nieco dłuższą drogę i to również może prowadzić do zakrzywienia strumienia.

Aby strumień powietrza lub cieczy „przylegał” do powierzchni, którą opływa, musi ona być wystarczająca gładka i mieć odpowiedni kształt. Jeśli kąt pomiędzy kierunkiem napływającego strumienia a płaszczyzną powierzchni będzie zbyt duży, powstaną turbulencje, a strumień „oderwie” się od powierzchni.

Jak zatem inżynierowie z Formuły 1 wykorzystali efekt Coandy w swoich bolidach? Pierwszy był zespół Saubera jeszcze przed rozpoczęciem sezonu 2012. FIA dokładnie określiła pozycję końcówki układu wydechowego w bolidzie. Musiała ona znajdować się co najmniej 250 mm nad płaszczyzną odniesienia (ale nie więcej niż 600 mm), w odległości od 200 mm do 500 mm od osi wzdłużnej bolidu oraz co najmniej 500 mm od osi poprzecznej tylnego koła. Nie było więc już mowy, aby spaliny bezpośrednio wpadały na dyfuzor.

Inżynierowie F1 wpadli więc na pomysł, aby powierzchnię znajdującą się tuż za końcówką układu wydechowego wyprofilować w taki sposób, aby gazy wylotowe po opuszczeniu wydechu przylegały do niej, wykorzystując właśnie efekt Coandy. Spaliny poruszają się zatem po zakrzywionej płaszczyźnie w dół, w stronę podłogi i podążają nią dalej ku tyłowi bolidu. Aby strumień gazów wylotowych nie został zakłócony przez jakikolwiek inny strumień powietrza, jest on odseparowany po drodze różnymi elementami w taki sposób, aby mógł finalnie trafić w okolice dyfuzora.

Tego typu rozwiązanie nie jest oczywiście tak samo wydajne jak pierwotne dmuchane dyfuzory, ale wg Martina Whitmarsha dzięki efektowi Coandy zespołom F1 udało się odzyskać przynajmniej 20-25% siły docisku. Aby ją zwiększyć (wytworzyć większe podciśnienie), trzeba było uzyskać jak największą prędkość spalin. Inżynierowie zmniejszyli więc o 20 mm średnicę końcówki układu wydechowego. Według Pata Symondsa zaowocowało to spadkiem mocy o ok. 20 KM, ale zwiększyło prędkość spalin aż o 80%. Kolejnym zadaniem inżynierów F1 było więc zrekompensowanie strat mocy silnika w aerodynamice. Zysk musiał być znaleziony gdzie indziej, bo sekcje wylotu spalin wraz z ich ścieżkami do tylnych dyfuzorów osiągnęły ostateczną wersję, wykorzystując efekt Coandy.

Na koniec polecam wysłuchać krótkiego wykładu byłego inżyniera Ferrari oraz Williamsa, Enrique'a Scalabroniego, który dla zobrazowania efektu Coandy nie tylko używa łyżki, ale także ołówka i czystej kartki papieru. Pokazuje również, jak został on wykorzystany w bolidach Formuły 1.