لایه مرزی | هوافضای جوان

لایه مرزی

در حالت کلی، اگر در مسیر حرکت یک سیال جسم جامدی قرار گرفته باشد، وجود این جسم بر حرکت سیال اثر می‌گذارد. سیال از مجموعه‌ای از ذرات بسیار ریز تشکیل شده است که این ذرات ریز هنگامی که به جسم جامد برخورد می‌کنند، سرعت حرکتشان به صفر رسیده و به  اصطلاح به سطح جسم می‌چسپند. بین ذرات سیال، نیروهای جاذبه ای وجود دارد که به آن لزجت گفته می شود. (لزجت سیالات مختلف با هم یکی نیست، به عنوان مثال عسل لزجت بیشتری دارد تا آب). لزجت باعث می شود که هر لایه ای از سیال به لایه های نزدیک خود بچسپد و ذرات لایه های اطراف را با خود به حرکت  در آورد. با چسبیدن ذرات سیال به سطح جسم جامد و وجود نیروهای لزجتی، هرچه از جسم جامد دورتر میشویم، لایه های بالا تر مقداری به لایه های نزدیک تر به سطح نیرو وارد می کنند و آنها را با خود به حرکت در می آورند. این کار تا جایی ادامه دارد که سیال در لایه مرزی از سرعت صفر، در لایه چسپیده به سطح جامد، به سرعت جریان آزاد، در لایه های انتهایی لایه مرزی، نزدیک می شود.

بدین صورت، بین سطح جسم جامد و نقطه‎ای که سرعت سیال تقریبا برابر با سرعت جریان آزاد باشد، یک لایه ای از سیال با سرعت کمتر تشکیل می شود که به آن لایه مرزی سرعت گفته می شود.

برای درک بهتر رفتار لایه مرزی، باید از ابزار فرمول ها و مفاهیم ریاضیات کمک گرفت. مفاهیم ریاضیات لایه مرزی را اولین بار آقای پرانتل Ludwing Prandtl معرفی کرد. ایشان جریان را به دو بخش درون و برون لایه مرزی تقسیم کردند. در علم سیالات، لایه مرزی به بخشی از سیال گفته می شود که اثرات لزجت بر روی سیال چشمگیر باشد.

در ویدیوی زیر، حرکت یونیفورم سیال (خطوط سفید یک دست) و لایه مرزی (خط خمیده ی سفید نزدیک به صفحه ی وسط تصویر) قابل مشاهده است. خطوط سفید، حباب های هیدروژنی هستند که برای آشکار سازی سیال ایجاد شده اند. درون لایه مرزی، نزدیک به صفحه ی تخت سرعت سیال تقریبا صفر است و هرچه از صفحه دور تر می شویم، سرعت سیال به جریان بالادست (جریان یونیفورم) نزدیک تر می شود. لایه مرزی سرعت از سطح صفحه ی تخت شروع می شود و تا نقطه ای که سرعت جریان به ۹۹ درصد سرعت جریان یونیفروم برسد، ادامه می یابد. به این حالتی که جریان روی صفحه ی تخت صفر باشد، شرایط مرزی غیر لغزشی می گویند.

 

 

انواع لایه مرزی

همانطور که برای سرعت یک لایه مرزی تعریف شده است، برای انتقال حرارت نیز یک لایه مرزی وجود دارد که به ترتیب به آنها می پردازیم.

  • لایه مرزی سرعت را می توان به دو بخش لایه مرزی آرام و لایه مرزی آشفته تقسیم کرد.

لایه مرزی آرام به نوعی از سیال گفته می شود که بسیار روان و یکدست روی جسم جامد عبور می کند. این لایه مرزی از برخورد سیال آرام با عدد رینولدز پایین روی سطح یک جسم جامد تشکیل می شود. مانند شکل زیر:

لایه مرزی آرام: حرکت سیال آرام روی صفحه ی تخت نیمه بینهایت دو بعدی

لایه مرزی آشفته نوع توسعه یافته ی لایه مرزی آرام می باشد. این لابه درون خود دارای جریانات چرخشی و آشفته می باشد و نیروهای لزجت در این جریان قوی تر از لایه مرزی آرام عمل می کند. لایه مرزی آرام ناپایدار تر از لایه مرزی آشفته می باشد و بعد از ایجاد لایه مرزی آرام، در پایین دست جریان، لایه مرزی آشفته شروع به ایجاد شدن و رشد می کند.

شماتیک تبدیل لایه مرزی آرام به توربولانس. از سمت چپ جریان آزاد-لایه مرزی آرام- لایه مرزی آشفته را نشان می دهد

 

  • لایه مرزی حرارتی به ناحیه ای از درون لایه مرزی گفته می شود که از صفحه ی تخت تا نقطه ای که دمای جریان به ۹۹ درصد جریان آزاد یونیفورم برسد.

در این تصویر، نقطه چین بالایی، لایه مرزی سرعت و نقطه چین داخلی لایه مرزی حرارتی را نشان می‌دهد. دقت کنید که بسته به این که حرارت صفحه از سیال کمتر و یا بیشتر باشد، شیب نمودار دمایی لایه مرزی حرارتی تغییر می کند.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

 

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

لطفا معادله امنیتی را وارد کنید. * Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.