Динамический, тепловой и диффузионный пограничные слои

Различают динамический, тепловой и диффузионный пограничные слои на обтекаемой поверхности (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Динамический (а), тепловой (б) и диффузионный (в) пограничные слои

Динамический пограничный слой – слой жидкости вблизи обтекаемой поверхности, поперек которого скорость меняется от скорости тела на его поверхности до скорости невозмущенного потока на границе пограничного слоя (рис. 3.1а).

При обтекании жидкостью твердого тела молекулы жидкости, находящиеся вблизи поверхности твердого тела, "прилипают" к ней под действием сил притяжения их к молекулам твердого тела (гипотеза прилипания). Прилипшие молекулы из-за вязкости жидкости взаимодействуют с близлежащими слоями, подтормаживая их. Образуется пограничный слой. Теоретически тормозящее действие слоев жидкости друг на друга может простираться по направлению нормали к поверхности в бесконечность, т.е. скорость вдоль нормали должна постепенно изменяться от u = u_w = 0 при у = 0 до u = u_нпри у = ∞ (индексом w будем обозначать параметры жидкости на поверхности, а индексом н – параметры невозмущенного потока). Практически же пограничный слой достаточно тонок (по сравнению с расстоянием от точки его образования до рассматриваемого сечения), так как значительное влияние прилипших молекул и, следовательно, существенное изменение скорости наблюдается лишь в непосредственной близости от поверхности твердого тела. По этой причине вводят понятие толщины пограничного слоя. За толщину динамического пограничного слоя принимается значение у, при котором скорость отличается на 1% от скорости невозмущенного потока u_н, т.е. граничное условие на границе пограничного слоя записывается следующим образом: u = 0,99u_нпри у=d. Кроме этого на границе пограничного слоя и за его пределами выполняется условие .

Тепловой пограничный слой – пристенный слой жидкости, поперек которого происходит существенное изменение температуры: температура жидкости меняется от температуры обтекаемой поверхности до температуры невозмущенного потока на границе слоя (рис. 3.1б).

Также как и для динамического пограничного слоя вводится толщина теплового пограничного слоя d_т. За толщину теплового пограничного слоя принимается значение у, при котором температура отличается на 1% от температуры невозмущенного потока Т_н. Толщина теплового пограничного слоя d_т в общем случае не равна толщине динамического пограничного слоя d. Граничные условия для теплового пограничного слоя записываются следующим образом: Т = Т_w при у = 0 и Т = 0,99Т_н при у = d_т. На границе пограничного слоя и вне его и теплопроводность в этой области не проявляется.

Диффузионный пограничный слой – слой жидкости вблизи обтекаемой поверхности с большим поперечным градиентом концентрации примеси (рис. 3.1в).

При проведении расчетов вводится толщина диффузионного пограничного слоя d_д, которая равна толщине теплового пограничного слоя d_т: d_д= d_т. Граничные условия для диффузионного пограничного слоя имеют вид: с = с_w при у = 0 и с = 0,99с_н при у = d_д. На границе пограничного слоя и за его пределами и диффузионный поток массы в этой области отсутствует.