Rajakerros

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 6. joulukuuta 2019 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 2 muokkausta .

Aerodynamiikassa rajakerros (BL) on kitkakerros: virtaviivaisen rungon tai lentokoneen (LA) pinnalla oleva ohut kerros , jossa viskositeettivaikutus ilmenee . PS:lle on ominaista voimakas virtausnopeusgradientti : nopeus vaihtelee lentokoneen pinnan nollasta rajakerroksen ulkopuolella olevaan virtausnopeuteen (aerodynamiikassa on tapana pitää lentokonetta liikkumattomana ja kaasun siihen kohdistuva virtaus on ilma-aluksen nopeus, eli ilma-aluksen vertailukehyksessä ).

Yleistä tietoa

Rajakerroksen käsitteen esitteli ensimmäisenä Ludwig Prandtl 12. elokuuta 1904 kolmannessa kansainvälisessä matemaatikoiden kongressissa Heidelbergissä Saksassa [ 1] . PS:n käyttöönotto mahdollistaa nesteen/kaasun virtausta simuloivien yhtälöiden merkittävän yksinkertaistamisen jakamalla virtauksen kahteen alueeseen: ohueen viskoosiseen rajakerrokseen ja epätasaiseen virtausalueeseen. Inviscid-virtausyhtälöt (Euler-yhtälöt) ovat paljon yksinkertaisempia kuin Navier-Stokesin täydelliset yhtälöt, jotka simuloivat viskoosia virtausta . Lämmönvaihto virtaviivaistetun kappaleen ja virtauksen välillä tapahtuu myös yksinomaan rajakerroksessa, mikä taas mahdollistaa PS:n ulkopuolisten yhtälöiden ratkaisun yksinkertaistamisen.

Rajakerroksen paksuus

Kokeellisessa fysiikassa on tapana ottaa PS:n paksuudeksi se etäisyys virtaviivaisen kappaleen seinämästä, jolla virtausnopeus eroaa 1 % ulkoisesta virtausnopeudesta. Rajakerroksen paksuuden sijasta käytetään usein siirtymäpaksuutta : etäisyyttä, jolla ulkoisen virtauksen virtaviivat siirtyvät (siirtyvät pois rungosta) PS:n muodostumisen vuoksi. Virtauslinjojen siirtymisen vuoksi rungon tehollinen paksuus kasvaa, mikä johtaa rungon vastuksen lisääntymiseen. Levyllä siirtymäpaksuus on noin 1/3 rajakerroksen paksuudesta.

Koska inertia- ja kitkavoimat ovat samaa suuruusluokkaa PS:ssä, nämä voimat yhtälöllä voidaan saada arvio yliäänivirtauksen rajakerroksen paksuudesta : kaasu tai neste, on vastaan tulevan virtauksen nopeus. Yliäänikerrokselle tämä arvio on muotoa: , missä on dynaaminen viskositeetti , on kappaleen ominaispituus $\delta \propto {\sqrt {{\frac {\mu l}{\rho U))))$ $\mu$ $l$ $\rho$ $U$ $\delta \propto {\sqrt[ {4}]{{\frac {\mu l}{\rho U))))$ $\mu$ $l$

Laminaarivirtaukselle suhteellisuuskerroin , joka tekee yllä olevan kaavan yhtä suureksi, on noin 5: $\delta =5{\sqrt {{\frac {\mu l}{\rho U))))$

Virtausnopeudesta riippuen PS:n paksuus voi vaihdella muutamasta senttimetreistä ( aliäänenopeuksilla ) alle millimetriin ( hyperääninopeudella ).

Rajakerroksen merkitys

Kitkavoima

PS:n kitkavoimien takia jopa äärettömän ohut levy kokee kaasussa liikkuessaan vastusta - kitkavastusta tai viskoosista vastusta .

Levyn vastusvoiman arviointi laminaarivirtauksessa antaa: , jossa b on levyn leveys. $W\propto b{\sqrt {\mu \rho U^{3}l))$

Arviosta voidaan nähdä, että vastus on verrannollinen virtausnopeuteen 3/2 potenssiin ja levyn pituuden neliöjuureen. Pyörteisen virtauksen tapauksessa kitkavastus kasvaa.

PS tila. Rajakerros voi olla eri tiloissa, joista tärkeimmät ovat:

Rajakerroksen tila riippuu ilma-aluksen ympärillä olevan virtauksen ominaisuuksista: kitkavastus, lämpövirrat lentokoneen pintaan, nostovoima . Kitkavastus lisää lentokoneen polttoaineen kulutusta, joten lentokoneet suunnitellaan siten, että virtaus sen ympärillä on mahdollisimman laminaarista. Lämpövirrat ovat tärkeimpiä yliäänenopeuksilla ja yliäänenopeuksilla (esimerkiksi palaaville ajoneuvoille ). Suuret lämpövirrat johtavat siihen, että yliäänilentokoneisiin on asennettava lämpösuojaus. Koska pyörteisessä rajakerroksessa lämpövirrat ovat 10-100 kertaa suuremmat kuin laminaarisessa, laminaari-turbulenttisen siirtymän sijainnin ennustamisella on erittäin tärkeä rooli lentokonesuunnittelussa . Lämmönvirtojen virheellinen kirjanpito tai niiden hallitsematon kasvu voi johtaa lentokoneen kuolemaan, kuten tapahtui esimerkiksi Columbia- sukkulalla. .

Katso myös

Linkit

Bruno A.D., Shadrina T.V. Menetelmät rajakerroksen tutkimiseen neulalla . - M. , 2004. Rajakerroksen teoriasta on lyhyt historia.

Muistiinpanot

↑ Prandtl L. Nestemäinen liike hyvin pienellä kitkalla. Kirjassa: L. Prandtl. Kantajan siiven teoria. Osa I. M.-L.: GNTI, 1931 . Haettu 28. marraskuuta 2013. Arkistoitu alkuperäisestä 3. joulukuuta 2013. (määrätön)