2.2. Гидродинамический и тепловой пограничные слои

Пограничный слой имеет малую (по сравнению с продольными размерами области течения) толщину и большие поперечные градиенты скорости, темпера-туры, концентрации, которые обеспечивают перенос количества движения, теплоты, вещества. Различают динамический (гидродинамический), тепловой и диффузионный пограничные слои.

Область потока, непосредственно прилегающая к поверхности твердого тела, в которой происходит изменение скорости течения от нуля на стенке до скорости внешнего потока, называется динамическим пограничным слоем. В нем осуществляется поперечный перенос количества движения. По мере удаления от поверхности скорость течения возрастает от нуля до скорости внешнего потока w_ж. При продольном обтекании тела (например, пластинки) на начальном участке динамический слой очень тонок и течение в нем ламинарное. При удалении от входной кромки толщина пограничного слоя δ_г нарастает. На некотором расстоянии (в критическом сечении) ламинарное течение становится неустой-чивым. В пограничном слое появляются турбулентные пульсации скорости, попе-рек него перемещаются частицы жидкости, размер которых намного превышает размер молекул. Постепенно турбулентный режим течения распространяется почти на всю толщину динамического пограничного слоя; лишь около самой поверхности пластины может сохраняться тонкий ламинарный (или вязкий) подслой, где скорость невелика и силы вязкости гасят турбулентные вихри.

Аналогичным образом осуществляется и тепловое взаимодействие потока жидкости с пластиной. Частицы жидкости, непосредственно прилегающие к поверхности, имеют температуру, близкую к температуре стенки t_c. Соприка-сающиеся с этими частицами движущиеся слои жидкости обмениваются с ними теплотой. Так формируется тепловой пограничный слой, в пределах которого температура меняется от t_c на поверхности до t_ж в невозмущенном потоке.

Тепловой пограничный слой - это пристенная область потока, в которой происходит существенное изменение температуры. Он характеризуется большим поперечным градиентом температуры, под действием которого осуществляется поперечный перенос теплоты. За толщину теплового пограничного слоя δ_т принимается расстояние от поверхности, на котором температура жидкости отличается от исходной на 1% от разности температур t_ж- t_c .С удалением от входной кромки обтекаемого тела толщина теплового пограничного слоя возра-стает аналогично возрастанию δ_г.

При ламинарном течении теплота от охлаждающейся в пограничном слое жидкости переносится поперек потока теплоносителя к поверхности пластины только за счет теплопроводности. Согласно закону теплопроводности через плоскую стенку плотность теплового потока q ~ λ (t_ж- t_c)/δ_т. Сравнивая это выражение с законом Ньютона-Рихмана (2.39), получим для качественных оценок, что в ламинарном пограничном слое

α ~ λ/δ_т. (2.40)

С увеличением толщины теплового пограничного слоя по мере движения вдоль поверхности пластины интенсивность теплоотдачи уменьшается. В пере-ходной зоне общая толщина пограничного слоя продолжает возрастать, однако значение  при этом увеличивается, потому что толщина ламинарного подслоя убывает, а в образующемся турбулентном слое теплота переносится не только теплопроводностью, но и конвекцией вместе с перемешивающейся массой, т. е. более интенсивно. После стабилизации толщины ламинарного подслоя в зоне развитого турбулентного режима коэффициент теплоотдачи вновь начинает убывать из-за возрастания общей толщины пограничного слоя.

Из соотношения (2.40) видно, что коэффициенты теплоотдачи к газам, обладающим малой теплопроводностью, будут ниже, чем к капельным жидко-стям, а тем более к жидким металлам. Ориентировочно значение  от поверх-ности к газовым средам, например к воздуху, лежат в пределах 10…20 (Вт/м²∙К) при свободном движении и 50…100 Вт/(м²∙К) при вынужденном. При омывании тел капельной жидкостью, особенно водой, значение коэффициента теплоотдачи на 1…2 порядка больше, т. е. вполне достижимы значения   1000 Вт/(м²∙К).

При течении жидкости в трубе толщина пограничного слоя вначале растет симметрично по всему периметру, как на пластине, до тех пор, пока слои с противоположных стенок не сольются на оси трубы. Дальше движение стаби-лизируется и фактически гидродинамический (аналогично и тепловой) погра-ничный слой заполняет все сечение трубы. Стабилизированный режим течения в трубе будет либо турбулентным с ламинарным подслоем около стенки, либо ламинарным по всему сечению. Локальный коэффициент теплоотдачи на поверхности трубы к текущей в ней жидкости изменяется лишь на начальном участке, а на участке стабилизированного течения постоянен. С увеличением скорости течения жидкости в трубе величина  возрастает.

В процессах массообмена значительную роль играет диффузионный пог-раничный слой, характеризующийся большим поперечным градиентом концент-рации данного компонента в смеси. Под действием градиента концентрации осуществляется поперечный перенос данного компонента, например диффузио-нный перенос влаги через пограничный газовый слой при сушке материала.

Математическое описание конвективного теплообмена и условий однозна-чности возможно только для простейших задач. Шире применяются опытные данные, полученные в физических экспериментах.