Пограничный слой

Пограни́чный слой (ПС) в аэродинамике — слой трения: тонкий слой на поверхности обтекаемого тела или летательного аппарата (ЛА), в котором проявляется эффект вязкости. ПС характеризуется сильным градиентом скорости потока: скорость меняется от нулевой, на поверхности ЛА, до скорости потока вне пограничного слоя (в аэродинамике принято рассматривать ЛА неподвижным, а набегающий на него поток газа имеющим скорость ЛА, т.е. в системе отсчёта ЛА).

Толщина пограничного слоя

В экспериментальной физике за толщину ПС принято брать такое расстояние от стенки обтекаемого тела, на котором скорость течения отличается на 1% от скорости внешнего течения. Вместо толщины пограничного слоя, часто используют толщину вытеснения: расстояние, на которое вытесняются (отодвигаются от тела) линии тока внешнего течения вследствие образования ПС. Для пластины толщина вытеснения равна приблизительно 1/3 толщины пограничного слоя.

Поскольку в ПС силы инерции и силы трения одного порядка, то приравнивая эти силы, можно получить оценку толщины пограничного слоя: $\delta \propto {\sqrt {\frac {\mu l}{\rho U}}}$, где $\mu$ - динамическая вязкость, $l$ - характерная длина тела (например длина пластины, если рассматривать обтекание плоской пластины), $\rho$ - плотность газа или жидкости, $U$ - скорость набегающего потока.

Для ламинарного ПС коэффициент пропорциональности, делающий из вышеприведённой формулы равенство, равняется приблизительно 5: $\delta =5{\sqrt {\frac {\mu l}{\rho U}}}$

В зависимости от скорости потока, толщина ПС может составлять от нескольких сантиметров (на дозвуковых скоростях), до значений меньше миллиметра (на гиперзвуковых скоростях.

Значение пограничного слоя

• Сила трения

За счет сил трения в ПС даже бесконечно тонкая пластина при движении в газе будет испытывать сопротивление - сопротивление трения или вязкое сопротивление.

Оценка силы сопротивления для пластины при ламинарном обтекании даёт: $W\propto b{\sqrt {\mu \rho U^{3}l}}$, где b - ширина пластины.

Из оценки видно, что сопротивление пропорционально скорости потока в степени 3/2 и квадратному корню из длины пластины.

• Состояние ПС

Пограничный слой может находиться в различных состояниях, основные из которых:

- ламинарное

- турбулентное

- отрывное

От того, в каком состоянии находиться пограничный слой завивисят характеристики обтекания ЛА: сопротивление трения, тепловые потоки к поверхности ЛА, подъёмная сила. Сопротивление трения влияет на расход топлива ЛА. Тепловые потоки наиболее важны при сверх- и гиперзвуковых скоростях (например для возвращаемых космических аппаратов). Высокие тепловые потоки приводят к тому, что на гиперзвуковые ЛА приходиться ставить теплозащиту. Поскольку турбулентном пограничном слое тепловые потоки в 10-100 раз выше, чем в ламинарном, то для проектирования ЛА крайне важную роль играет определение положения ламинарно-турбулетного перехода. Неправильный учет тепловых потоков или их неконтролируемый рост может привести к гибели ЛА, как это произошло, например, с шаттлом "Колумбия".