Пограничный слой

Определение "Пограничный слой" в Большой Советской Энциклопедии

Пограничный слой, область течения вязкой жидкости (газа) с малой по сравнению с продольными размерами поперечной толщиной, образующаяся у поверхности обтекаемого твёрдого тела или на границе раздела двух потоков жидкости с различными скоростями, температурами или химическим составом. Пограничный слой характеризуется резким изменением в поперечном направлении скорости (динамический Пограничный слой), или температуры (тепловой, или температурный, Пограничный слой), или же концентраций отдельных химических компонентов (диффузионный, или концентрационный, Пограничный слой). На формирование течения в Пограничный слой основное влияние оказывают вязкость, теплопроводность и диффузионная способность жидкости (газа). Внутри динамического Пограничный слой происходит плавное изменение скорости от её значения во внешнем потоке до нуля на стенке (вследствие прилипания вязкой жидкости к твёрдой поверхности). Аналогично внутри Пограничный слой плавно изменяются температура и концентрация.

Режим течения в динамическом Пограничный слой зависит от Рейнольдса числа Re и может быть ламинарным или турбулентным. При ламинарном режиме отдельные частицы жидкости (газа) движутся по траекториям, форма которых близка к форме обтекаемого тела или условной границы раздела между двумя жидкими (газообразными) средами. При турбулентном режиме в Пограничный слой на некоторое осреднённое движение частиц жидкости в направлении основного потока налагается хаотическое, пульсационное движение отдельных жидких конгломератов. В результате интенсивность переноса количества движения, а также процессов тепло- и массопереноса резко увеличиваются, что приводит к возрастанию коэффициента поверхностного трения, тепло- и массообмена. Значение критического числа Рейнольдса, при котором происходит переход в Пограничный слой ламинарного течения в турбулентное, зависит от степени шероховатости обтекаемой поверхности, уровня турбулентности внешнего потока, Маха числа М и некоторых др. факторов. При этом переход ламинарного режима течения в турбулентный с возрастанием Re происходит в Пограничный слой не внезапно, а имеется переходная область, где попеременно чередуются ламинарный и турбулентный режимы.

Толщина d динамического Пограничный слой определяется как то расстояние от поверхности тела (или от границы раздела жидкостей), на котором скорость в Пограничный слой можно практически считать равной скорости во внешнем потоке. Значение d зависит главным образом от числа Рейнольдса, причём при ламинарном режиме течения d ~ l×Re^-0.5, а при турбулентном — d ~ l×Re^-0.2, где l — характерный размер тела.

Развитие теплового Пограничный слой определяется, помимо числа Рейнольдса, также Прандтля числом, которое характеризует соотношение между толщинами динамического и теплового Пограничный слой Соответственно на развитие диффузионного Пограничный слой дополнительное влияние оказывает диффузионное число Прандтля, или Шмидта число.

  При больших скоростях внешнего потока газа внутри Пограничный слой происходит переход кинетической энергии молекул в тепловую, вследствие чего локальная температура газа увеличивается. В случае теплоизолированной поверхности температура газа в Пограничный слой может приближаться к температуре торможения
,
где T_e температура газа вне Пограничный слой, k = c_p/c_v — отношение теплоёмкостей при постоянном давлении и постоянном объёме.

Характер течения в Пограничный слой оказывает решающее влияние на отрыв потока от поверхности обтекаемого тела. Причина этого заключается в том, что при наличии достаточно большого положительного продольного градиента давления кинетическая энергия заторможенных в Пограничный слой частиц жидкости становится недостаточной для преодоления сил давления, течение в Пограничный слой теряет устойчивость и возникает т. н. отрыв потока (см. Отрывное течение).

  При очень больших числах Рейнольдса толщина Пограничный слой очень мала по сравнению с характерными размерами тела. Поэтому почти во всей области течения, за исключением тонкого Пограничный слой, влияние сил вязкости несущественно по сравнению с инерциальными силами, и жидкость в этой области можно рассматривать как идеальную. Одновременно вследствие малой толщины Пограничный слой давление в нём в поперечном направлении можно практически считать постоянным. В результате весьма эффективным оказывается такой метод изучения обтекания тел потоком жидкости (газа), когда всё поле течения разбивается на 2 части — область течения идеальной жидкости и тонкий Пограничный слой у поверхности тела. Течение в первой области изучается с помощью уравнений движения идеальной жидкости, что позволяет определить распределение давления вдоль поверхности тела; тем самым определяется и давление в Пограничный слой Течение внутри Пограничный слой рассчитывается после этого с учётом вязкости, теплопроводности и диффузии, что позволяет определить поверхностное трение и коэффициент тепло- и массообмена. Однако такой подход оказывается неприменимым в явном виде в случае отрыва потока от поверхности тела. Он неприменим и при малых Re, когда влияние вязкости распространяется на довольно большие расстояния от поверхности тела.

Лит.: Лойцянский Л. Г., Механика жидкости и газа, 4 изд., М., 1973; Шлихтинг Г.. Теория пограничного слоя, пер. с нем., М., 1974; Основы теплопередачи в авиационной и ракетной технике, М., 1960; Кутателадзе С. С., Леонтьев А. И., Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое, М., 1972.
  Н. А. Анфимов.