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.

 

При протекании реакции на поверхности плоской пластины, обтекаемой потом реагента в пограничном слое эволюционирует не только скорость течения, но и концентрация, а также температура. По мере продвижения вдоль пластины скорость движения газа в пристеночной области падает, а температура соответственно растет (см. рис. 1). Это и определяет скорость реакции на поверхности, поскольку именно через пограничный слой исходные реагенты переносятся из газового потока к поверхности, а продукты реакции диффундируют в обратном направлении, удаляясь затем основным потоком газа. Градиент концентрации в пограничном слое также увеличивается с течением времени. Поток реагентов J от поверхности подложки или обратно задается уравнением:

или

где n_газ и n_пов - концентрация реагентов в газовом потоке и вблизи поверхности соответственно, D (p,T) - коэффициент диффузии реагента в газовой фазе, являющийся функцией давления и температуры, J - поток реагентов, характеризующий количество молекул, проходящее через единицу площади за единицу времени, dn/dy - градиент концентрации реагентов.

Трение при ламинарном обтекании плоской поверхности играет большую роль в процессах конвективного нагрева, который является важным явлением при проектировании летательных и комсмических апаратов. Конвективный нагрев происходит вследствие передачи теплоты теплопроводностью из «горячей» части пограничного слоя к поверхности тела. Количественно конвективный тепловой поток q_K описывается соотношением, представляющим собой модифицированный закон Ньютона для теплообмена:

где Т_е — равновесная температура (предельная температура, до которой могла бы нагреться поверхность тела, если бы но было отвода энергии), α — коэффициент конвективного теплообмена, индексом w отмечаются параметры на поверхности. Т_е близка к температуре торможения и может быть определена из выражения:

где r — коэффициент восстановления температуры (для ламинарного пограничного слоя ), Т₁ и М₁ — температура и Маха число на внешней границе пограничного слоя, k = c_p/c_V—отношение удельных теплоёмкостей газа при постоянном давлении и объёме, Рr— число Прандтля. Величина α зависит от скорости и высоты полёта, формы и размеров тела, а также от некоторых других факторов.

В простейшем случае продольного обтекания плоской пластины закон конвективного теплообмена для ламинарного пограничного слоя имеет вид:

где ρ* и μ* вычисляются при температуре

С повышением скорости полёта темература газа за ударной волной и в пограничном слое возрастает, в результате чего происходит диссоциация и ионизация молекул набегающего газа. Образующиеся при этом атомы, ионы и электроны диффундируют в более холодную область — к поверхности тела. Там происходит обратная химическая реакция - рекомбинация, идущая с выделением тепла. Это даёт дополнительный вклад в конвективный аэродинамический нагрев.

 

Полет на больших высотах со сверх и околозвуковыми скоростями неизбежно связан с конвективным нагревом за счет трения воздуха о поверхность обтекаемого тела.

При полёте на больших высотах на конвективный нагрев может оказать влияние неравновесность физико-химических превращений. Это явление становится существенным, когда характерные времена диссоциации, ионизации и других химических реакций становятся равными (по порядку величины) времени пребывания частиц газа в области с повышеншой температурой вблизи тела. Влияние физико-химической неравновесности на аэродинамических нагрев проявляется в том, что продукты диссоциации и ионизации, образовавшиеся за ударной волной и в высокотемпературной части пограничного слоя, не успевают рекомбинировать в пристеночной, относительно холодной части пограничного слоя, теплота реакции рекомбинации не выделяется и аэродинамических нагрев уменьшается. В этом случае важную роль приобретают каталитические свойства материала поверхности тела. Применяя материалы или покрытия с низкой каталитической активностью по отношению к реакциям рекомбинации (например, двуокись кремния), можно заметно снизить величину конвективного аэродинамического нагрева.
Если через проницаемую поверхность тела происходит подача («вдув») газообразного охладителя внутрь пограничного слоя, то интенсивность конвективного аэродинамического нагрева снижается. Это происходит главным образом в результате дополнительных затрат тепла на нагрев вдуваемых в пограничный слой газов. Эффект снижения конвективного теплового потока при вдуве инородных газов тем сильнее, чем меньше их молекулярный вес, поскольку при этом возрастает удельной теплоемкость вдуваемого газа. При ламинарном режиме течения в пограничном слое эффект вдува проявляется сильнее, чем при турбулентном. При умеренных удельных расходах вдуваемого газа снижение конвективного   теплового    потока   можно    определить   по формуле

где q_K0 — конвективный тепловой поток к эквивалентной непроницаемой поверхности, G — уд. массовый расход вдуваемого газа через поверхность, а γ — коэффициент вдува, зависящий от режима течения в пограничном слое, а также свойств набегающего и вдуваемого газов.