境界層|表面近くに限って粘性の影響を受ける流体の層

境界層

境界層とは、一様流れの流体の中の物体において、レイノルズ数が大きい場合、その表面近くに限って粘性の影響を受ける流体の層である。物体の表面の流れが接触する面では、粘性の効果により流速は0となり、そこから離れるに従い、次第に流速が増加していき、自由層(境界層の外側の表面の影響を受けない層)になると、粘性を無視することができる。

境界層

境界層

境界層の内側

境界層の内側では、壁面では流速は0であり、壁面の近くでは粘性の影響下にあるが、そこから離れるにつれ、流速が増加していく。これを粘性底層という。

境界層の外側

境界層の外側では、レイノルズ応力が作用し、流速分布は対数則を用いて表すことができる。

境界層厚さ

境界層厚さとは、表面からの境界層の厚さである。普通、一様流の流速の99%になるところまでを境界層と定義されるが、条件によってはその範疇でない場合も多い。流速が遅くなった分だけ境界層がせり出したと考える排除厚さ、せん断応力によってエネルギーが失われている部分すべてを含めた運動量厚さなどが使われる。

境界層はく離

境界層の中で、流れの下流に行くほど圧力が高くなっていくが、そのため境界層内では減速され逆流が生じることがある。そのとき、境界層が物体からはがれたように見えるが、その現象を境界層はく離という。

境界層はく離

境界層はく離

平板の境界層

境界層の厚さとせん断応力

境界層の厚さとせん断応力

円柱まわりの流れ

円柱まわりの流れの円柱後方側では、境界層はく離が生じる。

層流境界層

層流境界層とは、境界層の内部の流速が低い場合、境界層内部の流れが層流の層となる。また、レイノルズ数が上がり、乱流境界層に移ることを遷移という。

乱流境界層

乱流境界層とは、境界層の内部の流速が高くなると境界層内の流れが乱流となる層で、流れが平均化が起り、境界層はく離ができにくくなる。