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.1), то 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 существует 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. Кроме того, в этом слое возможна конвекционная диффузия.

Диффузионным пограничным слоем называется область течения вблизи стенки, в которой происходит изменение концентрации примеси от ее значения на стенке до значения во внешнем потоке.

Диффузионный пограничный слой формируется, например, на ионнообменных мембранах. Ионообменная мембрана представляет собой тонкий лист толщиной 0,17—0,65 мм, обеспечивающий предпочтительный перенос катионов (катионообменная мембрана) или анионов (анионообменная мембрана). Мембрану изготавливают целиком из ионообменного материала (гомогенная ионообменная мембрана), или в ионообменный материал включают для увеличения механической прочности инертный наполнитель (гетерогенная ионообменная мембрана). Растворы электролитов в отличие от ионоселективных мембран являются диполярными проводниками электричества второго рода, в которых ток переносят как катионы, так и анионы в соответствии с их числами переноса. Диффузионный поток электролита компенсирует разность электрических потоков ионов в мембране и растворе

где D_i — коэффициент диффузии, с₀ — концентрация в объеме раствора, с_s — концентрация на границе раствора с ионообменной мембраной, δ — толщина диффузионного пограничного слоя, то есть слоя переменной концентрации. В диффузионном пограничном слое у принимающей стороны мембраны средняя концентрация становится ниже концентрации исходного раствора, и в этом слое происходит обессоливание (рис. 1).

На другой стороне мембраны, которую принято называть отдающей, электрический поток противоионов больше потока этих же ионов в растворе и возникает диффузионный поток электролита от поверхности мембраны. В диффузионном пограничном слое у отдающей стороны мембраны концентрация электролита выше, чем в объеме раствора, и, следовательно, в нем наблюдается концентрирование электролита.

Если в жидкости содержится к.-л. активный компонент А, участвующий в гетерогенных превращениях или адсорбирующийся на твердой стенке, концентрация этого компонента меняется от значения C^s_A на стенке до C^*_A в потоке, что создает внутри жидкости диффузионный пограничный слой. Перенос компонента А в диффузионном слое вблизи межфазной границы осуществляется путем конвективной диффузии в поле постепенно ускоряющейся жидкости.

Диффузионный пограничный слой играет важную роль в процессе ультразвуковой сушки. Первая стадия, характеризуемая постоянной скоростью сушки, отличается тем, что удаляемая с поверхности высушиваемого материала влага непрерывно восполняется поступающей из его внутренних слоев. Скорость сушки определяется в этой стадии градиентом концентрации жидкости в диффузионном пограничном слое. Под воздействием ультразвука процесс испарения жидкости с поверхности резко ускоряется, поскольку во влажной поверхности возникают акустические потоки, вызывающие деформацию диффузионного пограничного слоя при этом слой становится тоньше, градиент концентрации растет, что и приводит к ускорению удаления влаги с поверхности. Существенное влияние акустических потоков в первый период сушки связано с относительно малой толщиной их пограничного слоя. Сравнение ультразвуковой сушки с конвективной при постоянном обдуве поверхности материала показывает, что даже когда скорость акустических потоков сравнима со скоростью постоянного потока воздуха при обдуве, ультразвуковая сушка протекает значительно быстрее ввиду того, что толщина пограничного слоя для акустических потоков меньше, чем толщина гидродинамического пограничного слоя (последняя приблизительно равна толщине диффузионного пограничного слоя).

Растворение может протекать по диффузионному, кинетическому или смешанному механизму. Рассмотрим наиболее распространенный диффузионный механизм. При растворении на поврхности растворяющегося тела возникает диффузионный пограничный слой, в пределах которого концентрация изменяется от с_н на поверхности тела до концентрации с в основной массе раствора. При погружении тела в неподвижную жидкость в пределах диффузионного слоя возникает движение жидкости, побуждаемое разностью плотностей ее и тела в слое и вне его (естественная конвекция). При погружении тела в движущуюся жидкость в пределах диффузионного слоя также возникает движение, скорость которого снижается по мере приближения к поверхности тела (вынужденная конвекция, ускоряемая перемешиванием). При этом толщина слоя зависит от его диффузионных и гидродинамических параметров и уменьшается с увеличением числа Рейнольдса Re = ud/v (u-скорость обтекания жидкостью объекта растворения, d-eгo размер, v-кинематич. вязкость жидкости).

Основной закон кинетики диффузионного растворения:

где М-масса растворяющегося в-ва, t-время, k-коэф. массоотдачи, F-площадь поверхности растворения. Параметр k определяется уравнениями в обобщенных переменных.

Для многих объектов растворение в условиях газовыделения протекает в диффузионной области; закономерности изменения константы k объясняются следующим образом: с возрастанием концентрации реагента интенсифицируется пузырьковый режим, что способствует турбулизации пограничного слоя и уменьшению толщины диффузионного слоя, т.е. интенсификации транспорта реагента к поверхности. Одновременно ускоряется экранирование поверхности (изоляция ее от жидкой среды), вследствие чего по достижении критической концентрации величина k начинает снижаться. Помимо концентрации реагента на константу скорости влияют вязкость жидкости (с ее увеличением k уменьшается) и давление в системе; при возрастании последнего рост пузырьков и общая интенсивность пузырькового режима снижаются, что также приводит к уменьшению k.