Hraniční vrstva je rozhraní zóna mezi tělem a okolní tekutině během relativního pohybu mezi nimi. To je důsledkem viskozity z tekutiny a je důležitým prvkem mechaniky tekutin ( aerodynamiky , hydrodynamiky ), meteorologie , oceánografie , atd.
Když skutečná tekutina proudí podél stěny údajně pevného tělesa, rychlosti na stěně jsou nulové, zatímco v nekonečnu (tj. Daleko od těla) jsou stejné při rychlosti proudění. Na kolmice ke zdi se proto rychlost musí ve všech případech pohybovat mezi 0 a maximem. Zákon variace závisí na viskozitě kapaliny, která vyvolává tření mezi sousedními vrstvami: vezmeme-li v úvahu dvě po sobě jdoucí vrstvy, pomalejší vrstva má tendenci zpomalit rychlejší vrstvu, která má naopak tendenci zrychlovat.
Za těchto podmínek má vysoká viskozita tendenci lokálně co nejvíce vyrovnávat rychlosti. Naopak, pokud tekutina není příliš viskózní, jsou různé vrstvy mnohem nezávislejší na svých sousedech: rychlost v nekonečnu je udržována až na krátkou vzdálenost od těla a je zde silnější variace rychlostí v malé tloušťce blízko zdi, která se nazývá mezní vrstva .
V prvním případě (vysoká viskozita kapaliny) je nutné použít obecné rovnice viskózní kapaliny. Ve druhé tekutině s nízkou viskozitou lze v mezní vrstvě použít zjednodušené rovnice doplněné experimentálními výsledky; za hraniční vrstvou používáme rovnice, také jednodušší, dokonalé tekutiny (ospravedlnitelné Bernoulliho rovnicí). V tomto případě musíme při použití těchto rovnic dokonalé tekutiny samozřejmě považovat tělo za zahuštěné mezní vrstvou (říkáme „vykrmované“) (schematický diagram naproti tomu, kde jsou tloušťky mezních vrstev přehnané.). Silné zesílení proudu po proudu neodpovídá oddělení tohoto toku, ale zesílení mezní vrstvy na těle.
Ve skutečnosti to není jen samotná viskozita, která je kritériem pro posouzení viskózní povahy nebo nikoli toku v těle (nebo přesněji jeho stupně viskozity ). Jako vždy v mechanice tekutin je to bezrozměrné číslo, které slouží jako kritérium a charakterizuje tok: Reynoldsovo číslo . To popisuje poměr setrvačných sil k viskózním třecím silám v kapalině. Místo zvýšení viskozity tedy můžeme získat podobný jev (stejné Reynoldsovo číslo a tedy stejný průtok) snížením rychlosti nebo rozměrů tělesa.
Na principiálním diagramu Granvilla výše jsou tloušťky mezních vrstev přehnané. Obrázky níže poskytují realističtější představu o vývoji tloušťky na 2D těle (štíhlostní profil 12, tj. Relativní tloušťka 8,3%), stejně jako na těle s nejmenší štíhlostí otáčení L / D = 4 .
Na prvním diagramu jsme si všimli, že pro tento podélný Reynolds, který je docela blízko milionu, je tloušťka mezní vrstvy na zadní hraně profilu řádově čtvrtina tloušťky profilu (s touto relativní tloušťkou ). Abychom nakreslili turbulentní mezní vrstvu, vzali jsme sem vztah:
být Reynolds na základě úsečky.
Změna tloušťky mezní vrstvy na rotačním 3D tělese (následující obrázek) je na zadním tělese komplikována skutečností, že se obvod části tělesa zmenšuje do bodu po proudu (kde je nula) ), prstencová část kapaliny zpomalená při hlavním krouticím momentu (mezní vrstva) musí být při přiblížení se k bodu po proudu distribuována po stále malém obvodu těla: tímto fenoménem koncentrace je mezní vrstva nucena zahušťovat. Hoerner ve své práci Drag dává pro 3D rotační těleso průměr mezní vrstvy v zadním bodě:
je „základní“ tloušťka mezní vrstvy při maximálním průměru .
Tloušťka mezní vrstvy na podélném Reynoldsově profilu 1,7 milionu.
Tloušťka mezní vrstvy na těle s nejmenší rychlostí otáčení v podélném Reynoldsově 1,3 milionu.
Vypočtená Tloušťka mezní vrstvy na 3D nástavby nad je v souladu s tím měří Hugh B. Freeman Model 1/ 40 th Akron vzducholodi v přirozené velikosti ventilátoru Langley (jako je znázorněno na): upozorňujeme na tomto obrázku, že tloušťka mezní vrstva ve spodní části těla měří čtvrtinu maximálního průměru tohoto těla. Freeman zjistil (síťovým zesílením mezní vrstvy), že přechod mezní vrstvy byl velmi blízko k nosu těla (něco před stanicí 0). Tento poněkud očekávaný přechod by mohl být způsoben turbulencí v aerodynamickém tunelu. V každém případě takto změřená (a nakreslená) mezní vrstva dobře reprezentuje zcela turbulentní mezní vrstvy na velmi dobře profilovaných tělesech.
Koncept mezní vrstvy byla prezentována Ludwig Prandtl na 3. ročníku mezinárodního kongresu matematiků v Heidelbergu v srpnu 1904. Jeho textu „, což znamená začátek pochopení člověkem dynamiky reálných tekutin», však vzbudil velký zájem v zahraničí , možná proto, že se tento koncept mezní vrstvy jeví jako svévolný a vágní.
Ačkoli Heinrich Blasius , jeden z prvních studentů Prandtla, navrhl v roce 1908 metodu výpočtu laminární mezní vrstvy ( Blasiova rovnice ) a Prandtl v roce 1912 mistrovsky vysvětlil krizi odporu koule vyčíslenou Gustavem Eiffelem, který ji přisuzoval přechod mezní vrstvy z laminárního stavu do turbulentního stavu, trvalo několik desetiletí, než byla koncepce mezní vrstvy integrována do myšlení mechaniky tekutin . V tomto ohledu se ukazuje, že zakladatelský text Prandtla (publikovaný v roce 1905) byl NACA přeložen až v roce 1927 (ačkoli byl založen v roce 1915).
Samotná definice mezní vrstvy spočívá ve skutečnosti, že představuje oblast toku, kde jsou viskózní efekty přinejmenším stejně důležité jako účinky setrvačné (z hlediska řádu). To ve skutečnosti neplatí daleko od zdi, kde se pak říká, že tok je „Eulerian“, a kde jsou viskózní účinky stěží cítit. Dokonalá tekutina je ze své podstaty nevodivá a má nulové Lamé koeficienty (tj. Bez viskozity).
Tloušťka mezní vrstvy je definován jako tloušťka, ve kterém kapalina částice mají průměrnou rychlost (v souladu s ) , přičemž rychlost „vnější“ toku, to znamená, že „nahoře“ mezní vrstvy a bytí úsečka od bodu zastavení. Tuto definici lze snáze vizualizovat pro mezní vrstvu, která se vyvíjí na každé ploše ploché desky v toku tak, že „vnější“ rychlost a tlak jsou konstantní (jako na obrázku naproti, kde je uvedena vnější rychlost ).
Je třeba poznamenat, že tloušťka mezní vrstvy se mění v závislosti na úsečce od bodu zastavení.
Rychlostní profil v mezní vrstvě závisí na jejím stavu, který může být buď laminární (ve světle modré barvě na opačném diagramu), nebo turbulentní (v oranžové barvě). Úsečka (měřená od bodu zastavení), kde dochází k přechodu z laminárního stavu do turbulentního stavu, závisí na Reynoldsově čísle založeném na , úsečce od bodu zastavení a také na geometrii těla, když toto tělo není protilehlá plochá deska, její drsnost a turbulence toku. Mezi laminární mezní vrstvou a turbulentní mezní vrstvou je přechodová zóna.
Na tomto stejném diagramu se objeví to, co se nazývá „rychlostní profily“ dvou laminárních a turbulentních mezních vrstev. V tomto toku je Reynoldsovo číslo (na základě celkové délky toku) dostatečně vysoké: mezní vrstva začíná přechod do turbulentního režimu na úsečce .
Ve velmi zvláštních případech nebo jsou pohybové rovnice tekutiny lineární, protože dominují difúzní jevy a tok (a mezní vrstva) jsou laminární ( Stokesův tok ).
Pozoruhodná vlastnost mezních vrstev (a která značně usnadňuje použití jejich konceptu) spočívá v tom, že tlak nad (nebo mimo ) mezní vrstvou se přenáší uvnitř této mezní vrstvy přes normál ke stěně těla až k této stěně. Tato vlastnost umožňuje mechanikům tekutin, když měří místní tlak na povrchu tělesa, rozšířit tento tlak na celou tloušťku mezní vrstvy, a zejména na její vrchol , aktuální linii, kde se opět použije Bernoulliho rovnice .
Zdokonalením svých teorií a akumulací měření ve větrném tunelu získali průkopní vědci zcela správné aproximace tření vyvíjeného lokálně proudem tekutiny na stěnu těla.
Aby získali tyto výsledky, museli předložit hypotézu, že částice tekutiny v kontaktu s tělem byly rychlostí těla (tedy bez relativní rychlosti): jedná se o slavný neklouzavý stav, což je stav, který praxe, nikdy nebyla shledána neplatnou (i když u tekutin, jako je vzduch, které „nezvlhčují“ těla, která se v nich pohybují, je stěží intuitivní).
Lokální tření vyvíjené proudem tekutiny na stěnu tělesa je definováno jako napětí, a to jako podíl lokální síly na elementární povrch z oblasti tohoto elementárního povrchu. Toto místní tření je silnější pro turbulentní mezní vrstvu než pro laminární mezní vrstvu a také silnější v blízkosti bodu zastavení těla než směrem k jeho proudu.
Můžeme použít k kvantifikaci tohoto místního tření (jehož integrace do celého těla způsobí tření) místního. V určitých známých případech však lze součet použít přímo (již integrovaný po celém povrchu těla, s odkazem na jeho zvlhčený povrch ).
K tomuto součtu (počítáno s odkazem na plochu, která musí být specifikována, například celková smáčená plocha těla) je samozřejmě třeba přidat tlak ( samozřejmě vypočítaný s ohledem na stejnou plochu) celková těla s odkazem na povrch použít.
Abychom zviditelnili dva stavy mezní vrstvy, můžeme se opřít o odpařování těkavé kapaliny šířící se po těle, které má být studováno: toto odpařování, rychlejší pro turbulentní mezní vrstvu, umožňuje dobré stanovení přechodové úsečky stejně jako zvýraznění předčasných přechodů vytvořených místními podobami. Na druhé straně použití stetoskopu připojeného k mikro Pitotově trubici umožňuje přibližné akustické stanovení stavu mezní vrstvy: v laminárním stavu je mezní vrstva téměř tichá, zatímco v turbulentním stavu vydává hlasitý zvuk valivý hluk nebo hrom, který je v přechodové zóně hlasitější.
Kvantifikace třecí síly je zjevně zdrojem výzkumu hraniční vrstvy. Například u Airbusu pochází 45% aerodynamického odporu z tření vzduchu o vnější povrchy letadla.
Ačkoli místně lze tření považovat za lineární jev (to je to, co vidíme ve Stokesově toku ), pro inženýry je tření kvantifikováno bezrozměrným koeficientem tření stanoveným s odkazem na dynamický tlak. (Který je úměrný druhé mocnině rychlost), což je velmi intuitivní (tento koeficient tření však vykazuje silnou závislost na Reynoldsově čísle, které tento jev řídí). Koeficient tření je definován takto:
definice kde:
je koeficient tření, je součástí odporu v důsledku tření, je hustota tekutiny, je rychlost toku, je mokrý povrch těla, je dynamický tlak průtoku.Mezní vrstva se vyvíjí srovnatelným způsobem v zásadě na ploché desce rovnoběžné s tokem a na vhodně profilovaných 2D a 3D tělesech (například profily křídla a trupu). Na přední straně takových těl se ve skutečnosti od bodu zastavení vytvoří laminární mezní vrstva, přičemž tato laminární mezní vrstva provede přechod z laminárního režimu do turbulentního režimu v určité vzdálenosti od bodu zastavení. Přestože jsou třecí síly, i když ve stejném řádu, o něco silnější v případě 2D (křídla) a 3D profilovaných těles (ve srovnání s plochými deskami) (viz níže).
Výsledkem laminární mezní vrstvy je koeficient tření (nebo tření), který lze kvantifikovat podle vzorce:
Jedná se o vzorec Blasius, který udává součet na povrchu těla koupaného v laminární mezní vrstvě (část těla koupaná laminární hraniční vrstvou nemusí mít nutně stejnou délku na horním povrchu a na spodním povrchu. Z křídlo, pro nesymetrická 2D tělesa nebo ve výskytu).
V tomto Blasiusově vzorci je Reynolds založen na délce těla koupaného laminární hraniční vrstvou. Na grafu pod tímto Blasiusovým vzorcem je znázorněna zelená křivka (označená jako „ laminární“).
Když v tomto vzorci vyjádříme Reynoldse, vidíme, že se to vyvíjí jako ( což je rychlost toku).
Tento Blasiusův vzorec je považován za platný nad Reynolds 1000 (pod Reynolds 1000 přistupujeme k čistě viskózním tokům).
Stejný vzorec zůstává v platnosti, dokud místní Reynolds nedosáhne hodnoty, kde dojde k přechodu mezní vrstvy (viz např. Krize odporu koule a válce), lze tento kritický Reynolds vzít, nejprve v přibližné hodnotě 500 000 (i když záleží na drsnost těla a také rozložení tlaku na jeho povrch).
Když hraniční vrstva přechází z laminárního režimu do turbulentního, lokální tření postupně zesiluje (faktorem 4 nebo 5). Celková desky proto představuje jasnou inflexe (fuchsie přechodové oblouky, má každý z těchto křivek, které na určité Reynolds přechodu).
Ze zcela turbulentní mezní vrstvy vzniká jedna z:
Tento vzorec, kde je Reynolds založený na celkové délce desky nebo tělesa, je mocenskou zákonnou regresí Schoenherrovy přímky (znázorněné na grafu červenými značkami), přičemž tuto přímku dává Schoenherr ve formě , tedy jako inverzní funkce, která je uvedena níže.
Tato regrese výkonového zákona je platná v podélném Reynoldsově rozmezí 10 milionů až 1 miliarda.
Další možná regrese mocenského zákona je:
Platí v podélném rozmezí Reynoldse 1 až 100 milionů (toto rozmezí tedy pokrývá většinu leteckých potřeb).
Schlichtingův vzorec je naproti tomu platný v podélném rozmezí Reynoldse od Million do Billion:
Hama navrhl jako regresi pro Schoenherrovu linii následující rovnici:
To dává tuto rovnici s přesností lepší než v rozsahu Reynolds až .
Na výše uvedeném grafu byly křivky prodlouženy přerušovanými čarami mimo jejich rozsah platnosti.
Čtyři předchozí vzorce dávají ve svém rozsahu platnosti součet plochých desek koupaných ve zcela turbulentní mezní vrstvě (od bodu zastavení). Jsou to semi-empirické regrese Schoenherrovy linie , inverzní funkce, která byla určena zkušeností.
Tuto Schoenherrovu čáru lze nakreslit inverzní funkcí:
Je velmi užitečné zapamatovat si pořadí tohoto koeficientu tření v turbulentní mezní vrstvě (i když to zjevně závisí na Reynoldsově toku): kolem 3 tisícin , tuto průměrnou hodnotu lze použít jako první aproximaci.
V případě, že mezní vrstva obsahuje první laminární část a druhou turbulentní část, tzv. Přechodové křivky také dávají například:
být podélným Reynoldsem těla a být kritickým Reynoldsem, tj. Reynolds na základě úsečky těla, ve kterém začíná laminární mezní vrstva svůj přechod do turbulentního režimu.
Avšak k určení tělesa potaženého smíšenou mezní vrstvou (nejprve laminární, poté turbulentní po přechodové zóně), můžeme také odečíst od tělesného tahu vypočítaného v úplně turbulentním turbulentním tahu části těla. plně laminární mezní vrstvu a přidejte k výsledku laminární odpor této laminární části těla.
Protože povrch zalitý v laminární mezní vrstvě je časem celkového povrchu, dostaneme se k rovnici:
Takto Prandtl našel přechodové křivky. Tato metoda je samozřejmě přibližná, protože předpokládá, že turbulentní mezní vrstva vzniká na přední hraně desky, zatímco vzniká po přechodu laminární mezní vrstvy.
Předchozí graf se týká rovinných a hladkých desek (v tangenciálním toku a bez tlakového gradientu).
U hrubých plochých desek (vždy v tangenciálním průtoku a bez tlakového spádu) je koeficient tření téměř konstantní od určitého Reynoldse (to jsou hnědé křivky úrovně níže uvedeného grafu):
Souřadnice konstantních kroků je dána rovnicí:
rovnice, kde je délka desky a průměrná výška nerovností měřená od dna žlabu po vrchol píku. je tedy inverzní k relativní drsnosti.
James Barrowman s odvoláním na McNerneyho (1963) uvádí pro fáze, kde je konstanta, rovnici:
rovnice, kde je relativní drsnost.
Tato rovnice poskytuje zhruba stejné výsledky (kromě relativní drsnosti ).
Křivky lžící, které předcházely neustálým krokům, zde Frank podporoval. M. White na regresi v síle 1/7, ale další autoři zakládají tyto lžíce na regresi v Ln síle 2,58.
V praxi se s rostoucím Reynoldsem sleduje turbulentní křivka Cf, dokud není dosaženo křivky lžíce odpovídající relativní drsnosti. Poté se použije tato poslední křivka. Za kritickou Reynolds ve kterých je přechod z křivky turbulentním jednoho z lžíce křivek těchto kvazi-konstant koná, Barrowman dává:
Průměr symetrických profilů bez dopadu (tedy kvocient části aerodynamického odporu v důsledku tření o dynamickým tlakem toku a povrchem vytváří tření) je zvýšena vzhledem k přílišné rychlosti proudění podél stěn tělo. Tato relativní rychlost je pro symetrický profil bez dopadu úměrná relativní tloušťce a Hoerner udává pro třecí křídlo symetrického profilu bez dopadu přibližný vzorec:
je rovinnou deskou stejného podélného Reynoldse jako profil a koeficient je způsoben skutečností, že profil má dvě strany.Toto pravidlo udává zvýšení třecího křídla pro profil relativní tloušťky . Jiní autoři však uvádějí řád pro zvýšení třecího křídla na stejném profilu.
Hoerner dodává, že zbytek křídla Cx těchto profilů je (což je velmi nízké pro křídlo, ale citlivější například pro kapotáž krytu).
Podobně Hoerner poskytuje přibližnou formulaci tření 3D profilovaných rotačních těles bez dopadu ( na základě jejich zvlhčeného povrchu). Toto tření je , protože je rovinné desky ve stejném podélném Reynoldsově tělese, jako průměr tohoto tělesa a jeho délka.
Hoerner také vypočítá, že přidání k tomuto tření dává součet (tj. Tření a v důsledku oddělení toku) takových ne-dopadajících 3D profilových těles ( stále založených na jejich smáčeném povrchu).
Kniha Aircraft Design Synthesis and Analysis, od společnosti Desktop Aeronautics Inc, navrhuje křivku stejného typu (~ 7% silnější), která dává stejný tvarový faktor . Mezi štíhlostí 6 a 10 může být linearizován ve formě ( má tedy hodnotu ~ 1,22 pro štíhlost 6 a ~ 1,08 pro štíhlost 10).
Níže uvedená tabulka (převzatá od Jamese Barrowmana) poskytuje absolutní drsnost. Chcete-li získat relativní drsnost (používá se ve vzorcích výše), vydělte tuto absolutní drsnost délkou těla ve stejné jednotce (například akord křídla nebo délka trupu).
Plocha | Drsnost (mikrony) |
---|---|
Leštěné "zrcadlo" | 0 |
Aktuální sklo | 0,1 |
Leštěné povrchy | 0,5 |
Letectví list | 2 |
Vynikající nástřik | 5 |
Hoblovaná dřevěná deska | 15 |
Standardní letecká barva | 20 |
Holá pozinkovaná ocel | 50 |
Plocha | Drsnost (mikrony) |
---|---|
Dobře vyhlazený cement | 50 |
Asfaltová dlažba | 100 |
Žárově pozinkovaný plech | 150 |
Špatně nastříkané letadlo | 200 |
Povrch z lité oceli | 250 |
Surové dřevěné prkno | 500 |
Průměrný betonový povrch | 1000 |
Pochopení a modelování rovnic hraniční vrstvy je možná jedním z nejdůležitějších pokroků v dynamice tekutin. Pomocí měřítkové analýzy lze Navier-Stokesovy rovnice psát ve zjednodušené formě. Opravdu, původní Navier-Stokesovy rovnice jsou eliptické, zatímco zjednodušené rovnice jsou parabolické. To výrazně zjednodušuje řešení rovnic. Zjednodušení je založeno na rozdělení prostoru, ve kterém tekutina proudí, na dva: mezní vrstvu a zbytek prostoru (zbytek lze snadno vyřešit mnoha způsoby). Hraniční vrstva je pak řízena snadno řešitelnými parciálními diferenciálními rovnicemi. Navier-Stokesovy rovnice a rovnice kontinuity pro nestlačitelný dvojrozměrný tok v kartézských souřadnicích jsou:
nebo:Tok, který má vysoké Reynoldsovo číslo, lze zjednodušit. Zjednodušení spočívá v rozdělení prostoru do dvou oblastí. První je oblast, kde není tok tekutiny ovlivněn viskozitou - většina prostoru -, druhá oblast - poblíž povrchů domén - je oblast, kde viskozita hraje důležitou roli (mezní vrstva). Pak u a v jsou příslušně rychlost na aktuální trati a normální rychlost na aktuální trati uvnitř hraniční vrstvy. Pomocí analýzy měřítka se pohybové rovnice pro mezní vrstvu zjednoduší a stanou se:
a pokud je kapalina nestlačitelná, což je případ kapaliny za standardních podmínek:
Asymptotická analýza ukazuje, že v , normální rychlost, je malá ve srovnání s u , rychlost na proudnici, a že vlastnosti jejích variací ve směru proudnice jsou obecně méně důležité než v normálním směru.
Statický tlak p je nezávislý na y , takže tlak na okraji mezní vrstvy je tlak aktuálního vedení. Vnější tlak lze vypočítat použitím Bernoulliho věty . Pak u 0 je rychlost kapaliny mimo mezní vrstvu, kde u a u 0 jsou rovnoběžné. Nahrazením p se rovnice stanou:
s okrajovými podmínkami
Pro kapalinu, ve které statický tlak p nezávisí na směru proudění kapaliny:
proto u 0 zůstává konstantní.
Zjednodušené pohybové rovnice jsou:
Tyto aproximace se používají v mnoha vědeckých a technických problémech. Předchozí analýza se týká jakékoli mezní vrstvy (laminární nebo turbulentní), ale rovnice se používají hlavně ke studiu laminární mezní vrstvy. Průměrná rychlost skutečně odpovídá okamžité rychlosti, protože kolísání rychlosti chybí.
Zpracování turbulentní mezní vrstvy je ztíženo závislostí toku na časové proměnné. Jednou z nejběžnějších technik, kdy je tok považován za turbulentní, je použití Reynoldsova rozkladu . V tomto případě jsou okamžité vlastnosti toku rozloženy mezi střední hodnotou a fluktuacemi střední hodnoty. Použitím této techniky poskytují rovnice mezní vrstvy plně turbulentní mezní vrstvu:
Použitím stejné techniky výpočtu pro okamžitou rovnici se rovnice stávají v klasické podobě:
Další termín v turbulentní mezní vrstvě je známý jako „Reynoldsovo sdílené napětí“. Řešení rovnic turbulentní mezní vrstvy vyžaduje použití modelů turbulence , jejichž účelem je vyjádřit sdílené Reynoldsovo napětí ve známých pojmech proměnných toku a jeho derivací. Nedostatečná přesnost a negeneralizace těchto modelů představuje hlavní překážku v úspěchu předpovědí vlastností turbulentních toků ve vědě dynamiky tekutin.
Mezní vrstva hraje hlavní roli ve výkonnosti profilu křídla: například oddělení hraniční vrstvy na křídle letadla způsobí pokles vztlaku a zvýšení odporu křídla, což odpovídá znatelnému poklesu aerodynamický výkon letadla. Oddělení mezní vrstvy nastane, když se úhel náběhu křídla stane příliš velkým, což prakticky odpovídá postoji letounu vzhůru (například při přistání). Pokud je tento úhel příliš velký, nastane pádový jev : mezní vrstva je silně oddělena a výtah může velmi významně poklesnout, víceméně náhle. Tento jev je původcem mnoha leteckých nehod, ztráty výtahu, která může vést ke ztrátě kontroly nad letadlem.
Na některých rovinách jsou malé čepele, umístěné buď na křídlech, nebo na zadní straně trupu, které vytvářejí turbulentní mezní vrstvu, která odolává odtržení. Tyto lopatky se nazývají „ generátory vírů “.
Vedlejší efektyHraniční vrstva může vážně narušit činnost proudového motoru , na jedné straně kvůli turbulencím v proudu vzduchu přijímaného motorem, a na druhé straně snížením jeho účinnosti v důsledku nízké rychlosti vzduchu ve vrstvě. Tento problém nenastává, když je přívod vzduchu čelní (v přídi letadla) nebo když je reaktor obsažen v gondole upevněné pod křídly (v případě velké většiny civilních letadel).
Na druhou stranu, když je přívod vzduchu umístěn podél trupu (zejména v případě vojenských letadel), je z něj nejčastěji mírně odstraněn, aby mohl být umístěn mimo mezní vrstvu. Těsně před vstupem vzduchu je někdy přidána kovová deska, aby se udržovala mezní vrstva proti trupu: tomu se říká „lapač mezní vrstvy“.
Mezní vrstvy atmosféry (nebo planetární mezní vrstva , nebo třecí hraniční vrstvy ) je část atmosféry, ve které je vítr zpomalován tření vzduchu na povrchu planety (zem nebo skupiny vody). Výška této atmosférické mezní vrstvy se pohybuje mezi 50 m a 3 km v tloušťce v závislosti na stabilitě vzduchu a drsnosti povrchu, průměr je 1 500 metrů. Nad touto atmosférickou mezní vrstvou se rozprostírá takzvaná volná atmosféra (implikovaná „bez vlivu země“, ale ne pod vlivem Coriolisovy síly nebo jiných): čím vyšší ve volné atmosféře stoupá, tím více větru přibližuje (v platnosti a směru) geostrofický vítr .
Mezní vrstvy atmosféry sám může být rozdělen do dvou částí: povrchová vrstva , kde pouze brzdění vzhledem k povrchu je cítit a Ekman vrstva , kdy jak brzdění vzhledem k povrchu a síla Coriolisova:
Je to vrstva, ve které je nejvíce pociťováno tření vzduchu o povrch planety (země nebo vodní útvar). Vítr ve všech výškách této vrstvy udržuje víceméně pevný směr, ale jeho rychlost klesá s výškou, a to stále více a více, když se přibližujeme k povrchu (jako v případě proudění. Tekutiny na povrchu těla) ). Tato povrchová vrstva je dána společností Météo-France jako schopná měřit od 10 m do 100 m na výšku (v průměru kolem 50 m ). Můžeme si zapamatovat, že v povrchové vrstvě je pociťován pouze vliv povrchu planety.
Nad povrchovou vrstvou leží Ekmanova vrstva , jejíž tloušťka je řádově 10krát větší než tloušťka povrchové vrstvy. V této Ekmanově vrstvě je patrné jak zpomalení způsobené povrchem planety (ale méně než v povrchové vrstvě ), tak i Coriolisova síla, která má tendenci měnit směr větru. Uvedená Coriolisova síla (v důsledku rotace Země) se stává stále více převládající (ve srovnání se zpomalením v důsledku povrchu), protože jedna je v této Ekmanově vrstvě vyšší . Tyto dva kombinované vlivy (zpomalení a Coriolis) vytvářejí v Ekmanově vrstvě rotaci větru podle nadmořské výšky (silnější rotace v horní části) a také snižování rychlosti při přiblížení ke spodní části tohoto Ekmanu vrstva , takže vektory větru v této Ekmanově vrstvě tvoří to, co se nazývá Ekmanova spirála .
Může být také rozlišit na spodní části povrchové vrstvy podvrstva hrubý tam, kde je vysoká turbulence dynamického původu, pokud jde o teplo. Tato drsná podložka může v městských oblastech dosáhnout výšky několika metrů.
Výměny hmoty, energie a pohybu v mezní vrstvě planety jsou v meteorologii zásadní. Obsahuje většinu prvků mesoscale, které vedou k zahájení hluboké konvekce, a mnoho prvků, které vedou k systémům synoptického měřítka . Parametrizace mezní vrstvy je proto nezbytná při vývoji numerických modelů predikce počasí .
Logaritmický model mezní vrstvy atmosféryAtmosférická mezní vrstva se také nazývá logaritmická povrchová vrstva, protože vertikální profil větru zde lze modelovat pomocí logaritmické variace jako funkce výšky od povrchu . Tento logaritmický zákon poskytuje dobré výsledky na prvních 100 metrech atmosféry (od povrchu). Nad 100 metrů k horní hranici atmosférické mezní vrstvy je přesnější zákon síly (pro neutrální atmosféru ).
Jako příklad vlivu mezní vrstvy v každodenním životě si můžeme pamatovat, že rotory větrných turbín jsou umístěny co nejvýše nad zemí, aby mohly využívat dostatečně silný vítr, jehož síla je přibližně úměrná krychli větru Rychlost.
Mez platnosti zjednodušených reprezentací mezní vrstvy atmosféryZjednodušené reprezentace mezní vrstvy atmosféry popsané v tomto článku jsou založeny na předpokladu, že atmosféra je neutrální (tj. Náhodná změna výšky vzdušné částice se nezvýší ani nesníží Archimédův tah, který tato částice přijímá od jiných částic ). Tento předpoklad, že atmosféra je neutrální, je přijatelný, když průměrný vítr ve výšce 10 m překročí 10 m / s : míšení turbulencí převažuje nad nestabilitou atmosféry.