Пограничный слой – область течения вязкой жидкости (газа) с малой по сравнению с продольными размерами поперечной толщиной, появляющаяся у поверхности обтекаемого твердого тела или у границы раздела двух потоков жидкости с различными скоростями, температурами или химическим составом. Возникновение пограничного слоя связано с явлением переноса в жидкости количества движения, теплоты и массы, характеризуемых коэффициентом вязкости, теплопроводности и диффузии. Образование и развитие пограничного слоя можно проследить на примере динамического (скоростного) пограничного слоя у поверхности тела, обтекаемого потоком жидкости или газа. Вследствие вязкости жидкости она «прилипает» к поверхности тела, т.е. на стекле продольная составляющая скорости жидкости равна нулю (если поверхность тела непроницаемая, то здесь равна нулю и поперечная составляющая скорости). Разрыв продольной составляющей скорости в вязкой жидкости существовать не может, поэтому возникает переходная область течения, т.е. пограничный слой, в котором происходит плавное изменение скорости от нуля на стенке до некоторого конечного значения во внешнем потоке, где влияние вязкости исчезает. Толщина такой переходной области и профиль скоростей в ней определяются уравнениями сохранения количества движения. Помимо динамического пограничного слоя при обтекании тела можно выделить также тепловой (температурный) пограничный слой, образующийся в случае несовпадения температуры поверхности тела и температуры жидкости, а также концентрационный (диффузионный) пограничный слой, образующийся при протекании на стенке химической реакции или же при вдуве инородного газа через проницаемую поверхность тела.

Если пограничный слой ограничить толщиной вытеснения (см.рис.2), 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 (см. рис.1.), скорость которой во много раз ниже, чем у конвекционной диффузии.

Уменьшение или увеличение диффузионного пограничного слоя различными методами применяется для ускорения (замедления) поверхностных химических реакций, а также влияют на процессы сушки поверхностей.

В частности применяется метод т.н. акустической сушки. Толщина гидродинамического пограничного слоя в акустическом поле может быть существенно снижена по сравнению с толщиной  в реально применяемых скоростях потоков. При обдувании тела потоком воздуха толщина гидродинамического и диффузионного пограничных слоев приблизительно одинаковы. В акустическом поле гидродинамический пограничный слой может быть существенно меньше диффузионного. Это значит, что звуковые колебания проникают внутрь диффузионного слоя, турбулизируют его и тем самым ускоряют процесс испарения.

Рассмотрим непотенциальное течение жидкости или газа в гидродинамическом пограничном слое, характеризуемое наличием поперечной скорости v_y. В реальных потоках жидкости и газа скалярные параметры, определяющие диффузию (плотность, температура), не равны друг другу при x = 0 и x = dx (см. рисунок 1). Отсюда следует, что количество либо суммарный импульс частиц, вошедших в систему при x = 0, не равно количеству либо импульсу частиц, вышедших из системы при x = dx.

Чтобы не нарушить законы сохранения, необходимо, чтобы дефицит или избыток частиц или их импульса при их движении параллельно оси Ox были бы скомпенсированы их притоком или оттоком через поверхности, параллельные плоскости xOz при y = 0 и y = dy. А это означает, что появляется перенос частиц или импульса частиц поперек канала, вызывающий внутреннее трение в пограничном слое.

Распределение поперечных скоростей v_y относительно оси симметрии трубы обычно симметрично относительно этой оси, на самой оси симметрии поперечная скорость v_y уменьшается до 0. Если выделенный на рисунке участок симметричен относительно оси потока, то речь идет либо о притоке в него текучей среды с двух сторон, либо об ее оттоке тоже с двух сторон. Если же выделенный участок расположен асимметрично относительно оси потока, то речь идет о притоке текучей среды с одной стороны и об ее оттоке с другой стороны. Правда, следует учесть, что значения v_y (например, при ламинарном течении в трубе) не превосходят 1 – 2 % от значения (v_x )_max , что позволяет на практике рассматривать модель одномерного переноса. Но при допущении модели одномерного переноса объяснить физику явления невозможно.

В каждом поперечном сечении потока в гидродинамическом пограничном слое имеет место перенос импульса, выделяемый в особую форму движения. Координатой состояния этой формы движения является поперечный импульс (mv)_y , а динамическим воздействием на систему является разность продольных скоростей Δv_x при y = 0 и при y = dy. Эта разность продольных скоростей называется сдвигом скоростей.

Что касается переноса импульса в пограничном слое в направлении оси Ox, то принципиальной разницы между этим переносом в центральной области потока (в так называемом ядре потока) и в пограничном слое между потоком и неподвижной стенкой нет. Такое различие имеется лишь при переносе импульса в направлении оси Oу, и оно существенно.

Распределение плотности текучей среды поперек потока неравномерно, в том числе, и у так называемой несжимаемой жидкости. Плотность имеет минимум в так называемом критическом слое, расположенном неподалеку от стенки. Плотность понижается в направлении от центра потока к критическому слою, а затем повышается в направлении от критического слоя к стенке. Аналогично этому меняются значения поперечной скорости v_y. Эти подробности необходимо учитывать при объяснении физического содержания диффузии поперек гидродинамического пограничного слоя.

В пограничном слое превалирует поперечный перенос импульса. Ядро потока отличается от пограничного слоя именно тем, что в ядре v_y значительно меньше v_x , тогда как в пограничном слое значения v_y и v_x одного порядка.

Уравнение переноса в гидродинамическом пограничном слое в точности соответствует закону вязкого трения Ньютона:

где η – динамическая вязкость.

В районе стенки присутствуют кроме гидродинамического пограничного слоя также диффузионный и температурный пограничные слои. С точки зрения обобщенного подхода к явлениям переноса принципиальная разница между всеми пограничными слоями отсутствует. Только толщина каждого пограничного слоя зависит от значения коэффициента переноса в обобщенном уравнении переноса. А поскольку значения коэффициентов переноса разные, то различна и толщина вышеперечисленных пограничных слоев.