Пограничный слой (ПС), область течения вязкой жидкости или газа образующаяся у поверхности обтекаемого твёрдого тела или на границе раздела двух потоков жидкости с различными скоростями, температурами или химическим составом. Толщина ПС мала по сравнению с продольными размерами. ПС может характеризоваться резким изменением в направлении, поперечном скорости течения различных физических характеристик (скорости течения, температуры, концентрации компонентов).
На формирование течения в ПС основное влияние оказывают вязкость, теплопроводность и диффузионная способность жидкости или газа.
Тонкий слой, лежащий между твердой границей (стенкой) и внешним потенциальным потоком, обтекающим твердую границу, называется пристеночным пограничным.
Пограничный слой характеризуется тем, что толщина его увеличивается вдоль течения, и движение жидкости в нем не является продольно-однородным.
 

Рисунок 1 показывает, что течение в пограничном слое слоистое (ламинарное) вблизи точки его зарождения (около передней кромки тела), но постепенно завихряется (становится турбулентным) ниже по течению. Одной из важных проблем аэродинамики является определение положения точки перехода от ламинарного течения к турбулентному. Турбулентный пограничный слой намного толще ламинарного, и их толщины зависят от числа Рейнольдса Re, определяемого как произведение величины v на расстояние от передней кромки x. Толщина пограничного слоя δ дается следующими соотношениями:

 (1)

(2)

Величиной, характеризующей поперечный масштаб пограничного слоя, является, так называемая, толщина вытеснения δ*, определяемая формулой:

(3)

Смысл этого определения связан с тем, что вследствие трения о стенку продольная компонента скорости в пределах пограничного слоя уменьшается, а это, в свою очередь, вызывает искажение линий тока, которое проявляется как оттеснение наружу набегающего потока. Поскольку расход жидкости через любое сечение трубки тока должен быть одинаковым, а u – компонента скорости уменьшается тем сильнее, чем больше расстояние от края пластины, сечение трубки тока должно расти с ростом x.
Вытеснение приводит к тому, что картина линий тока становится искаженной и вне пограничного слоя. Таким образом, пограничный слой оказывает влияние на внешний поток.
 

На любом погруженном в воду объекте, как правило, формируются сообщества прикрепленных одноклеточных организмов. Такие сообщества, обитающие на твердых субстратах в пресных водоемах, называют перифитоном, в морях — биообрастаниями, на поверхности водорослей и высших водных растений — эпифитоном, на водных животных — комменсальными сообществами, или эпибионтами, и т.д. По оценкам, из примерно 100 тыс. известных видов протистов не менее 10% ведут сидячий образ жизни. Прикрепленные формы есть среди различных групп простейших: солнечников, фораминифер, радиолярий, гетеротрофных и автотрофных жгутиконосцев, инфузорий. И это неудивительно, ведь сидячий образ жизни дает организмам определенные преимущества — на обтекаемой водой поверхности они всегда обеспечены пищей.

Если пограничный слой ограничить толщиной вытеснения, то следует учесть, что в этих пределах практически отсутствует течение и гидродинамический упор ничтожен. Здесь же формируется диффузный пограничный слой, в пределах которого из-за отсутствия течения возможна только молекулярная диффузия, скорость которой во много раз ниже, чем у конвекционной диффузии. Таким образом, адаптивная зона включает слой, непосредственно соприкасающийся с обтекаемой поверхностью (для простейших — субстратом) и ограниченный толщиной вытеснения. Здесь из нагрузок действует лишь напряжение сдвига, кроме того, возможна только молекулярная диффузия. Далее, до края “классического” пограничного слоя (Сильвестр и Слей использовали “1%-ю” границу) скорость потока повышается, и начинает действовать и гидродинамический упор. Кроме того, в этом слое возможна конвекционная диффузия, что, конечно, существенно сказывается на транспорте питательных веществ. Такова вертикальная структура адаптивной зоны.

В направлении от переднего к заднему концу обтекаемого объекта толщина пограничного слоя увеличивается, а величина напряжения сдвига уменьшается. Если речь идет не об идеальном субстрате (пластине), а о реальном объекте, то ближе к заднему его концу происходит отрыв пограничного слоя, и здесь появляются турбулентные вихри, что создает дополнительную нагрузку для сидящих на поверхности организмов. Так формируется горизонтальная структура адаптивной зоны.

Рассмотрим картину обтекания плоской пластинки с острой передней кромкой в продольном направлении набегающим равномерным потоком вязкой жидкости. Из-за прилипания жидкости к поверхности пластинки над ней формируется течение с поперечным распределением скорости, меняющейся внутри тонкого пристеночного слоя переменной толщины δ от нуля на стенке до значения, близкого к скорости набегающего потока. Определенность величины δ зависит от тех условий, которые приняты для степени отличия скорости на границе слоя от скорости в потенциальном течении. Этот слой δ называют пограничным слоем. Обобщая подобные рассуждения на произвольные обтекаемые тела, для каждого из них тоже, как правило, вводят разделение течения на тонкую прилегающую к поверхности тела область пограничного слоя, где сосредоточено влияние вязкости и область внешнего (потенциального) течения, в которой среда ведет себя как идеальная жидкость. Общепринято считать толщиной пограничного слоя δ такое расстояние от поверхности обтекаемого тела, где скорость отличается на один процент от скорости внешнего идеального течения. Схематическая картина течения с пограничным слоем над стенкой представлена на рис. 1а. Для наглядности масштаб по оси y сильно увеличен. Сразу следует отметить, что внешняя граница пограничного слоя не является линией тока. По мере удаления от носика пла-стинки в пограничный слой вовлекаются все большие массы жидкости. Ясно, что наиболее интересующим нас в этой задаче является профиль скорости в пограничном слое. Очевидно, что для различных условий течения, он может быть разным. Определение профиля скорости и есть фактически решение задачи о пограничном слое.

В принципе при обтекании какого-то тела течение может сопровождаться отрывом потока от поверхности тела. Профиль скорости отражает это явление, изменением знака производной du/dy (рис. 1б). Кроме понятия толщины пограничного слоя δ, которое, вообще говоря, носит иллюстративный характер, удобно рассматривать величины, характеризующие пограничный слой с точки зрения переноса массы, импульса и энергии. Это так называемые толщина вытеснения δ*, толщина потери импульса δ** и толщина потери энергии δ***. Фактически эти величины определяют изменение расхода, импульса и диссипацию энергии в слое толщиной δ по сравнению с равномерным потоком. На рис. 2 представлена графическая интерпретация толщины вытеснения:

(1)

Толщина вытеснения, как можно усмотреть из (1), позволяет поставить в соответствие реальному течению гипотетическое идеальное с тем же массовым расходом и параметрами внешнего течения, граница которого (стенка) перемещена внутрь реального течения на расстояние δ*.