Пограничный слой

АО «АКАДЕМИЯ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ»

Кафедра

«Летная эксплуатация воздушных судов»

Дисциплина: «Базовые аэродинамика»

Рефферат:

Тема: Пограничный слой

Выполнил: Құнанбай Абай Саятұлы

ДО-УС-МХ-24-2

Преподаватель: Сейфула Г.Н

2024 г

Пограничный слой: от теории к практике

Введение

Пограничный слой – это ключевое понятие в гидродинамике и аэродинамике, определяющее поведение жидкости вблизи твердой поверхности. В этом реферате мы рассмотрим основные характеристики, типы, факторы влияния и практическое применение пограничного слоя.

1. Определение и характеристики

Пограничный слой – это тонкий слой жидкости, непосредственно соприкасающийся с поверхностью твердого тела. В этом слое скорость жидкости меняется от нуля на поверхности до значения, близкого к скорости потока вне пограничного слоя.

Основные характеристики пограничного слоя:

* Низкая скорость: Скорость жидкости в пограничном слое значительно ниже, чем скорость потока вне его.

* Вязкость: Вязкость жидкости является определяющим фактором в формировании пограничного слоя. Именно благодаря вязкости происходит передача импульса от поверхности к жидкости.

* Тонкость: Толщина пограничного слоя обычно мала по сравнению с другими размерами системы.

* Переходный характер: В зависимости от условий, пограничный слой может быть ламинарным (гладким) или турбулентным (хаотическим).

2. Типы пограничного слоя

* Ламинарный пограничный слой: В этом типе пограничного слоя жидкость течет упорядоченно, слоями. Ламинарное течение характерно для низких скоростей потока и гладких поверхностей.

* Турбулентный пограничный слой: В этом типе пограничного слоя жидкость движется хаотично, с вихрями и завихрениями. Турбулентный пограничный слой формируется при высоких скоростях потока или на шероховатых поверхностях.

3. Факторы, влияющие на пограничный слой

На толщину и характер пограничного слоя влияют различные факторы:

* Скорость потока: Чем выше скорость потока, тем тоньше пограничный слой.

* Вязкость жидкости: Чем выше вязкость жидкости, тем толще пограничный слой.

* Шероховатость поверхности: Чем шероховатее поверхность, тем толще пограничный слой.

* Геометрия тела: Форма тела также может влиять на пограничный слой.

4. Важность пограничного слоя

Пограничный слой играет ключевую роль в различных физических явлениях:

* Сопротивление: Пограничный слой создает сопротивление движению тела в жидкости.

* Теплообмен: Пограничный слой влияет на теплообмен между телом и жидкостью.

* Аэродинамика: Пограничный слой влияет на подъемную силу и сопротивление крыла самолета.

* Гидродинамика: Пограничный слой играет ключевую роль в движении жидкости в трубах и каналах.

5. Практическое применение

Понимание пограничного слоя имеет решающее значение во многих сферах:

* Аэрокосмическая техника: проектирование самолетов, ракет и других летательных аппаратов.

* Судостроение: проектирование кораблей и подводных лодок.

* Теплотехника: проектирование теплообменников.

* Гидравлика: проектирование трубопроводов, каналов и других гидравлических систем.

Заключение

Пограничный слой – это сложная, но важная концепция, которая позволяет понять и предсказывать поведение жидкости вблизи твердой поверхности. Понимание принципов формирования и поведения пограничного слоя необходимо для разработки более эффективных и безопасных систем и устройств в различных сферах деятельности.

Дополнительная информация:

* Число Рейнольдса: Безразмерная величина, характеризующая тип течения (ламинарный или турбулентный) и определяющая толщину пограничного слоя.

* Граничный слой: Аналогичная концепция, используемая в теории электромагнетизма.

* Уравнения Навье-Стокса: Уравнения, описывающие движение вязкой жидкости, которые используются для моделирования пограничного слоя.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. П. с. характеризуется резким изменением в поперечном направлении скорости (динамический П. с.), или температуры (тепловой, или температурный, П. с.), или же концентраций отдельных химических компонентов (диффузионный, или концентрационный, П. с.). На формирование течения в П. с. основное влияние оказывают вязкость, теплопроводность и диффузионная способность жидкости (газа). Внутри динамического П. с. происходит плавное изменение скорости от её значения во внешнем потоке до нуля на стенке (вследствие прилипания вязкой жидкости к твёрдой поверхности). Аналогично внутри П. с. плавно изменяются температура и концентрация.

Режим течения в динамическом П. с. 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 П. с. 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 П. с. 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 П. с. не внезапно, а имеется переходная область, где попеременно чередуются ламинарный и турбулентный режимы.

Толщина d динамического П. с. определяется как то расстояние от поверхности тела (или от границы раздела жидкостей), на котором скорость в П. с. 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 П. с. определяется, помимо числа Рейнольдса, также Прандтля числом, которое характеризует соотношение между толщинами динамического и теплового П. с. Соответственно на развитие диффузионного П. с. дополнительное влияние оказывает диффузионное число Прандтля, или Шмидта число.

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

Характер течения в П. с. 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 П. с. частиц жидкости становится недостаточной для преодоления сил давления, течение в П. с. теряет устойчивость и возникает т. н. отрыв потока (см. Отрывное течение).

При очень больших числах Рейнольдса толщина П. с. очень мала по сравнению с характерными размерами тела. Поэтому почти во всей области течения, за исключением тонкого П. с., влияние сил вязкости несущественно по сравнению с инерциальными силами, и жидкость в этой области можно рассматривать как идеальную. Одновременно вследствие малой толщины П. с. 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 П. с. 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 П. с. Течение внутри П. с. 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.