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流体力学 わかりやすく

境界層 とは

無滑りで壁 0→自由流 U∞ まで育つ薄い層 δ、δ ∝ √x (δ/x = 5/√Rex)、層流→乱流、壁勾配 du/dy が τw

速く流れる川の水も、底のすぐ上ではほとんど止まっています。表面に付いて速度が 0 から自由流まで育つこの薄い層を見ようと、平板の上の流れの自由速度をドラッグして見ます。壁が捕まえた薄い帯が境界層です。

平板の上を均一に流れていた流れは、壁に近づくと滑りなしのために速度が 0 に減ります。遠くでは自由流速度 U∞ のままですが、壁の近くでは矢印が短くなって 0 まで曲がり、この 0 から U∞ まで変わる薄い帯が境界層で、その厚さを δ と言います。自由速度 U∞ をドラッグすると外側の矢印がまるごと大きくなりますが、壁ではいつも 0 です。外側は自由で、壁だけが捕まっています。

境界層は前縁 (leading edge) から始まり下流へ行くほど厚くなります。壁がますます多くの層を捕まえて遅くするからです。測定位置 x をドラッグすると境界層の縁の曲線が √x の形で膨らむのが見え、前はとても薄く遠くへ行くほどゆっくり厚くなります。前は刃のように薄く、後ろはゆっくり膨らみます。

境界層も層流で始まってある地点で乱流に変わります。ボタンで比べると層流境界層は薄く滑らかにゆっくり育ちますが、乱流境界層は活発に混ざりより厚く壁の近くがより詰まった形で、臨界 Rex を越えるとこの転換が起きます。混ざりが層を厚く詰まったものにします。

壁のすぐ脇を拡大して見ます。速度は壁で 0 ですが、その 0 から上へ上がる傾き du/dy が壁の受ける摩擦を決め、それが表面せん断応力 τw = μ (du/dy)|wall です。自由速度 U∞ をドラッグすると壁の近くの傾きが急になり応力が大きくなり、この表面摩擦が集まると物体の受ける抗力の一部になります。

層流境界層の厚さはきれいな式に従います。δx = 5√Rex、つまり δ ≈ 5x√Rex で、局所レイノルズ数 Rex = U∞ xν が大きいほど境界層は相対的により薄くなります。Rex をドラッグすると δx が 1√Rex で減るのが見えます。だから速く大きい流れほど表面に付く層が薄く、飛行機の翼とゴルフボール、船の表面の設計がすべてこの上で行われます。この境界層が離れて作る抗力と剥離が続きます。

実際に使うまとめると、流れが表面を通るとき滑りなしが壁の速度を 0 に束ね、その上で速度が自由流 U∞ まで育つ薄い境界層ができます。厚さは前縁で 0 から始まり下流へ √x の形で大きくなり、層流で始まって臨界 Rex で乱流へ転換し、より厚く詰まった形になります。壁の速度の傾き du/dy が表面せん断応力 τw = μ(du/dy)|wall を決め、これが摩擦抗力の源です。層流の厚さは δx = 5√Rex です。境界層の剥離と抗力が続きます。
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