Пограничный слой (ПС), 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. ПС характеризуется резким изменением в поперечном направлении скорости (динамический ПС), или температуры (тепловой, или температурный, ПС), или же концентраций отдельных химических компонентов (диффузионный, или концентрационный, ПС). На формирование течения в ПС основное влияние оказывают вязкость, теплопроводность и диффузионная способность жидкости (газа). Внутри динамического ПС происходит плавное изменение скорости от её значения во внешнем потоке до нуля на стенке (вследствие прилипания вязкой жидкости к твёрдой поверхности). Аналогично внутри ПС плавно изменяются температура и концентрация.

Величиной, характеризующей поперечный масштаб пограничного слоя, является, так называемая, толщина вытеснения δ₁ (рис.1), определяемая формулой:

(1)

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.

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 и ограниченный толщиной вытеснения. Здесь из нагрузок действует лишь напряжение сдвига, кроме того, возможна только молекулярная диффузия. Далее, до края “классического” пограничного слоя скорость потока повышается, и начинает действовать и гидродинамический упор.

Воздействие возмущений на течение в пограничном слое требует введения в рассмотрение ряда характерных областей, в связи с различием в каждой из них физических механизмов передачи возмущений.

Первая из рассматриваемых областей имеет одинаковые характерные продольный и поперечный размеры. Введение указанной области в рассмотрение необходимо для нахождения связи между изменением толщины вытеснения пограничного слоя (или вертикальной скорости на внешней границе пограничного слоя) и индуцированным во внешнем потоке возмущением давления.

Следующая область, вводимая в рассмотрение, представляет собой пограничный слой, где невозмущенное течение является завихренным, и где возмущения приводят к линейным изменениям продольной скорости.

В силу выполнения условия прилипания продольная скорость около стенки сколь угодно мала, и поэтому всегда найдется область, в которой изменения продольной скорости оказываются нелинейными. Характерный поперечный размер этой области в силу нелинейных изменений скорости равен по порядку изменению толщины вытеснения области, которая превосходит по порядку изменение толщины вытеснения основной части пограничного слоя.

 

При скольжении лыжи проявляется вязкость в виде сил трения и вихрей, на образование которых затрачивается энергия.

Водяная пленка, образующаяся при скольжении лыж, обладает свойством прилипания к поверхности скольжения. Благодаря этому, при движении лыж, на поверхности скольжения образуется пограничный слой. Это слой, в пределах которого силы вязкости сравнимы или доминируют над силами инерции. Скорость движения воды в водяной пленке пограничного слоя изменяется от скорости равной скорости движения лыжи, до нуля на месте контакта пограничного слоя со снежной трассой (рис.1).

Чтобы ускорить воду в пограничном слое, надо приложить некоторую силу. Реакция трассы на эту силу называется сопротивлением трения. Для ламинарного (спокойного, плавного, регулярного) режима скольжения сопротивление трения пропорционально коэффициенту вязкости.

Динамический коэффициент вязкости воды при различной температуре приведен в таблице 1:

 

 

Таким образом, чем выше температура пограничного слоя, тем меньше сопротивление трения у лыжи (справедливо для ламинарного режима).

Чем больше коэффициент вязкости водяной пленки, тем дальше от поверхности скольжения лыжи распространяется тормозящий эффект снежной трассы (более толстый пограничный слой). Кроме того, величиной, характеризующей поперечный масштаб пограничного слоя, является, так называемая толщина вытеснения. Смысл толщины вытеснения заключается в том, что вследствие трения пограничного слоя о скользящую поверхность продольная составляющая скорости в пределах пограничного слоя уменьшается, а это, в свою очередь, вызывает искажение линий потока, которое проявляется как оттеснение наружу набегающей снежной трассы. Таким образом, процессы, происходящие в пограничном слое, оказывают влияние на набегающую снежную трассу и ниже расположенные снежные слои.

Более сложным случаем обтекания профиля с механизацией является так называемое разрезное крыло, представляющее собой профиль с отклоненным предкрылком и закрылком (или системой закрылков). В этом случае происходит усложнение не только картины обтекания по сравнению с предыдущими случаями, но и возникает более существенное влияние вязкости как на характер обтекания, так и на суммарные аэродинамические характеристики.

Эксперименты показывают, что изменение ширины щели не только перераспределяет давление, но и изменяет условия взаимодействия между вязкими слоями предкрылка и основной части профиля, что совместно оказывает влияние на условия обтекания закрылка. При малой ширине щели вязкий след от предкрылка смыкается с пограничным слоем основной части профиля и воздух, протекающий через щель, оказывается значительно подторможенным по сравнению со скоростью потенциального течения.

На схеме (рис.1.) приведены профили скорости в пограничном слое и толщина вытеснения вязкого следа за предкрылком и пограничного слоя на основной части профиля в различных его участках для ширины щели предкрылка 0,85 и 2,5 %.

При малой ширине щели (0,85 %) вязкий след от предкрылка за точкой 4 сливается с пограничным слоем основной части профиля. При оптимальной ширине щели (2,5 %) характер течения оказывается иным, при котором вязкий слой от предкрылка практически не смыкается с пограничным слоем на основной части профиля.

Угол отклонения предкрылка обычно измеряется между его прижатым (к основной части профиля) и отклоненным состоянием.

Полная толщина вытеснения в сечении 2 оказывается одинаковой для этих двух случаев. Но на участке между сечениями 2 и 4 большая толщина вытеснения соответствует большой щели (2,5 %), что связано с различиями в распределении давления и соответствующими градиентами давления вдоль поверхности основной части профиля. На дальнейших участках при малой ширине щели (0,85 %) происходит взаимодействие между слоями, в результате которого общая толщина вытеснения становится существенно большей по сравнению со случаем оптимальной ширины щели (2,5 %), что, естественно, приводит к различиям в течениях в области задней кромки основной части профиля.