طبقة حدية

إجهاد الاحتكاك t0 المؤثر في جسم يتعرض للجريان

يكتسب السائل في السوائل الحقيقية (اللزجة) سرعة الجدار الملامس له. أي إن سرعة السائل تكون معدومة على سطح الجدار ثم تتزايد بشكل كبير داخل الطبقة الحدية المحيطة بالجسم إلى أن تأخذ قيمتها النهائية والثابتة خارج الطبقة الحدية. وتعطى قيمة إجهاد الاحتكاك أواللزوجة حسب قانون نيوتن للسوائل اللزجة

الطبقة الحدية الصفيحية والطبقة الحدية المضطربة

تتحرك جزيئات السائل في بداية الجريان داخل الطبقة الحدية بشكل صفيحي، وبالتالي تتعرض إلى تغير في قيمة السرعة المؤثرة على الجزيئة بسبب توزع السرع في الطبقة الحدية, مما يؤدي إلى ظهور اضطرابات عرضية واهتزازات يتزايد مطالها مع تقدم الجريان  عندئذ يقال إن الجريان في الطبقة الحدية تحوَّل من جريان صفيحي laminar إلى جريان مضطرب turbulent، ويؤدي هذا الاضطراب إلى تبادل في طاقة الجزيئات، وبالتالي إلى توزع سرع أكثر انتظاماً داخل الطبقة الحدية ولكن مع بقاء سرعة الجريان عند الجدار معدومة بسبب اللزوجة.

إذا نُظِر إلى توزع السرع في طبقة حدية صفيحية وأخرى مضطربة وُجِد أن تدرُّج توزع السرع عند سطح الجسم له قيمة أكبر في الطبقة الحدية المضطربة، مما يبين سبب زيادة الإجهاد المماسي τ0، وبالتالي زيادة مقاومة قوة الكبح التي يتعرض لها الجسم عندما تكون الطبقة الحدية مضطربة.

سماكة الطبقة الحدية

تدل الدراسات على أن سماكة الطبقة الحدية الصفيحية، والتي يرمز لها بـ δ، تعطى عند البعد x عن مقدمة الصفيحة بدلالة عدد رينولد Re تصغيرتوزع السرع عند انفصال الطبقة الحدية وتدل التجارب على أن الطبقة الحدية تبقى صفيحية عندما تكون قيمة عدد رينولد أصغر من s3 × s103 وبعد ذلك تنقلب الطبقة الحدية إلى مضطربة.

انفصال الطبقة الحدية boundary layer separation

عند تعرض الجريان إلى تزايد في الضغط (dp/dx > 0) نتيجة لتغير شكل الجدار الذي يمر عليه السائل أولتغير المقطع الذي يمر عبره، فإن سرعة جريان السائل في الطبقة الحدية تتعرض إلى تباطؤ وارتفاع في الضغط وبالتالي يتغير توزع السرع

ما هو وتمثل هذه النقطة بداية ظهور جريان محلي يتجه باتجاه معاكس للجريان الأصلي مشكلاً دوّامة ، دافعاً الطبقة الحدية النظامية إلى الخارج وعندئذ يجري الحديث عن انفصال الطبقة الحدية. وتترافق هذه الظاهرة مع ارتفاع كبير في قيمة الكبح الذي يتعرض له الجسم. ويعمل مهندسو الطيران جاهدين على تلافي ظهور هذه الظاهرة مهما كانت حالة الجريان.

القوى المؤثرة على جسم يتعرض إلى جريان خارجي: عند تعرض جسم ما إلى جريان خارجي سرعته U يمكن تقسيم الجريان المحيط بالجسم إلى ثلاث مناطق بحسب الشكل (6):

I ـ منطقة الطبقة الحدية الصفيحية.

II ـ منطقة الطبقة الحدية المضطربة.

III ـ منطقة انفصال الجريان.

يولِّد الجريان في هذه المناطق الثلاث توزع إجهاد الاحتكاك وتوزع الضغط حول الجسم مشكلاً قوة احتكاك Fx في اتجاه الجريان وقوة رفع Fz عمودية على اتجاه الجريان.

الجريان الداخلي

عندما يدخل جريان منتظم سرعته U إلى أنبوب أوقناة تبدأ، نتيجة للزوجة السائل، طبقة حدية صفيحية بالتشكل مع تزايد في سماكتها إلى أن تحتل كامل مقطع الأنبوب في نهاية المرحلة الانتقالية التي يبلغ طولها Le يأخذ بعدها الجريان شكلاً صفيحياً مستقراً وله توزع سرع ثابت إذا لم يتجاوز عدد رينولد Re القيمة 2000.

نتيجة لتعرض السائل إلى احتكاك مماسي τ وإلى احتكاك مع جدار الأنبوب الداخلي tτ00 فإن هناك حاجة إلى قوة تدفع السائل عبر الأنبوب تغطي الطاقة الضائعة بالاحتكاك. وهذه القوة الدافعة هي فرق الضغط P1- P2 الواجب تطبيقه بين طرفي الأنبوب واللازم لتغطية فواقد الاحتكاك.

التأثير على الطبقة الحدية

يجهد مهندسو الطيران على إبقاء الطبقة الحدية صفيحية أطول مسافة ممكنة وذلك للإبقاء على المقاومة التي يتعرض لها الجسم صغيرة. وهناك عدة طرق للمحافظة على الطبقة الحدية صفيحية وتلافي تحوُّلها إلى مضطربة وتلافي انفصال الطبقة المضطربة لتشكل دوامات، ومن أهم هذه الطرق:

• امتصاص الطبقة الحدية من خلال شقوق أوثقوب صغيرة تتوضع على جدار الجسم يتم فيها امتصاص الطبقة الحدية وجعلها تلتصق بالجدار 

المراجع

التصانيف