Пограничный слой, 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. Пограничный слой характеризуется резким изменением в поперечном направлении скорости (динамический Пограничный слой), или температуры (тепловой, или температурный, Пограничный слой), или же концентраций отдельных химических компонентов (диффузионный, или концентрационный, Пограничный слой). На формирование течения в Пограничный слой основное влияние оказывают вязкость, теплопроводность и диффузионная способность жидкости (газа). Внутри динамического Пограничный слой происходит плавное изменение скорости от её значения во внешнем потоке до нуля на стенке (вследствие прилипания вязкой жидкости к твёрдой поверхности). Аналогично внутри Пограничный слой плавно изменяются температура и концентрация.
Режим течения в динамическом Пограничный слой зависит от Рейнольдса числа Re и может быть ламинарным или турбулентным. При ламинарном режиме отдельные частицы жидкости (газа) движутся по траекториям, форма которых близка к форме обтекаемого тела или условной границы раздела между двумя жидкими (газообразными) средами. При турбулентном режиме в Пограничный слой на некоторое осреднённое движение частиц жидкости в направлении основного потока налагается хаотическое, пульсационное движение отдельных жидких конгломератов. В результате интенсивность переноса количества движения, а также процессов тепло- и массопереноса резко увеличиваются, что приводит к возрастанию коэффициента поверхностного трения, тепло- и массообмена. Значение критического числа Рейнольдса, при котором происходит переход в Пограничный слой ламинарного течения в турбулентное, зависит от степени шероховатости обтекаемой поверхности, уровня турбулентности внешнего потока, Маха числа М и некоторых др. факторов. При этом переход ламинарного режима течения в турбулентный с возрастанием Re происходит в Пограничный слой не внезапно, а имеется переходная область, где попеременно чередуются ламинарный и турбулентный режимы.
Толщина d динамического Пограничный слой определяется как то расстояние от поверхности тела (или от границы раздела жидкостей), на котором скорость в Пограничный слой можно практически считать равной скорости во внешнем потоке. Значение d зависит главным образом от числа Рейнольдса, причём при ламинарном режиме течения d ~ l×Re -0.5, а при турбулентном — d ~ l×Re -0.2, где l — характерный размер тела.
Развитие теплового Пограничный слой определяется, помимо числа Рейнольдса, также Прандтля числом , которое характеризует соотношение между толщинами динамического и теплового Пограничный слой Соответственно на развитие диффузионного Пограничный слой дополнительное влияние оказывает диффузионное число Прандтля, или Шмидта число .
При больших скоростях внешнего потока газа внутри Пограничный слой происходит переход кинетической энергии молекул в тепловую, вследствие чего локальная температура газа увеличивается. В случае теплоизолированной поверхности температура газа в Пограничный слой может приближаться к температуре торможения
,
где Te температура газа вне Пограничный слой, k = cp/cv — отношение теплоёмкостей при постоянном давлении и постоянном объёме.
Характер течения в Пограничный слой оказывает решающее влияние на отрыв потока от поверхности обтекаемого тела. Причина этого заключается в том, что при наличии достаточно большого положительного продольного градиента давления кинетическая энергия заторможенных в Пограничный слой частиц жидкости становится недостаточной для преодоления сил давления, течение в Пограничный слой теряет устойчивость и возникает т. н. отрыв потока (см. Отрывное течение ).
При очень больших числах Рейнольдса толщина Пограничный слой очень мала по сравнению с характерными размерами тела. Поэтому почти во всей области течения, за исключением тонкого Пограничный слой, влияние сил вязкости несущественно по сравнению с инерциальными силами, и жидкость в этой области можно рассматривать как идеальную. Одновременно вследствие малой толщины Пограничный слой давление в нём в поперечном направлении можно практически считать постоянным. В результате весьма эффективным оказывается такой метод изучения обтекания тел потоком жидкости (газа), когда всё поле течения разбивается на 2 части — область течения идеальной жидкости и тонкий Пограничный слой у поверхности тела. Течение в первой области изучается с помощью уравнений движения идеальной жидкости, что позволяет определить распределение давления вдоль поверхности тела; тем самым определяется и давление в Пограничный слой Течение внутри Пограничный слой рассчитывается после этого с учётом вязкости, теплопроводности и диффузии, что позволяет определить поверхностное трение и коэффициент тепло- и массообмена. Однако такой подход оказывается неприменимым в явном виде в случае отрыва потока от поверхности тела. Он неприменим и при малых Re, когда влияние вязкости распространяется на довольно большие расстояния от поверхности тела.
Лит.: Лойцянский Л. Г., Механика жидкости и газа, 4 изд., М., 1973; Шлихтинг Г.. Теория пограничного слоя, пер. с нем., М., 1974; Основы теплопередачи в авиационной и ракетной технике, М., 1960; Кутателадзе С. С., Леонтьев А. И., Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое, М., 1972.
Н. А. Анфимов.