Come un oggetto si muove attraverso un fluido, o come un fluido si muove oltre un oggetto, le molecole del fluido vicino all’oggetto sono disturbate e si muovono intorno all’oggetto. L’ampiezza di queste forze dipende dalla forma dell’oggetto, dalla velocità dell’oggetto, dalla massa del fluido che passa accanto all’oggetto e da altre due importanti proprietà del fluido: la viscosità e la comprimibilità del fluido. Per modellare correttamente questi effetti, gli ingegneri aerospaziali usano parametri di somiglianza che sono rapporti di questi effetti con altre forze presenti nel problema. Se due esperimenti hanno gli stessi valori per i parametri di similarità, allora l’importanza relativa delle forze viene modellata correttamente.
Le forze aerodinamiche dipendono in modo complesso dalla viscosità del fluido. Mentre il fluido si muove oltre l’oggetto, le molecole vicino alla superficie si attaccano alla superficie. Le molecole appena sopra la superficie sono rallentate nelle loro collisioni con le molecole che si attaccano alla superficie, che a loro volta rallentano il flusso appena sopra di loro. Più ci si allontana dalla superficie, meno sono le collisioni influenzate dalla superficie dell’oggetto. Questo crea un sottile strato di fluido vicino alla superficie in cui la velocità cambia da zero alla superficie al valore di flusso libero lontano dalla superficie. Gli ingegneri chiamano questo strato lo strato limite perché si verifica sul confine del fluido.
I dettagli del flusso all’interno dello strato limite sono molto importanti per molti problemi in aerodinamica, incluso lo stallo dell’ala, l’attrito della pelle su un oggetto e il trasferimento di calore che si verifica nel volo ad alta velocità.Sfortunatamente, i dettagli fisici e matematici della teoria dello strato limite vanno oltre lo scopo di questa guida per principianti e sono solitamente studiati alla fine della scuola universitaria. Presenteremo solo alcuni degli effetti dello strato limite in questo momento.
Nella diapositiva mostriamo la variazione di velocità della corrente dalla corrente libera alla superficie. In realtà, gli effetti sono tridimensionali. Dalla conservazione della massa in tre dimensioni, un cambiamento di velocità nella direzione della corrente causa un cambiamento di velocità anche nelle altre direzioni. C’è una piccola componente di velocità perpendicolare alla superficie che sposta o sposta il flusso sopra di essa. Si può definire lo spessore dello strato limite come la quantità di questo spostamento. Lo spessore dello spostamento dipende dal numero di Reynolds che è il rapporto tra le forze inerziali (resistenti al cambiamento o al movimento) e le forze viscose (pesanti e collose) ed è dato dall’equazione : Il numero di Reynolds (Re) è uguale alla velocità (V) per la densità (r) per una lunghezza caratteristica (l) divisa per il coefficiente di viscosità (mu).
Re = V * r * l / mu
Gli strati limite possono essere sia laminari (a strati), sia turbolenti (disordinati) a seconda del valore del numero di Reynolds.Per numeri di Reynolds più bassi, lo strato limite è laminare e la velocità della corrente cambia uniformemente man mano che ci si allontana dalla parete, come mostrato sul lato sinistro della figura.Per numeri di Reynolds più alti, lo strato limite è turbolento e la velocità della corrente è caratterizzata da flussi vorticosi instabili (che cambiano nel tempo) all’interno dello strato limite. Il flusso esterno reagisce al bordo dello strato limite proprio come farebbe con la superficie fisica di un oggetto, quindi lo strato limite dà a qualsiasi oggetto una forma “effettiva” che solitamente è leggermente diversa dalla forma fisica. Questo accade perché il flusso nel limite ha un’energia molto bassa (rispetto alla corrente libera) ed è più facilmente guidato dai cambiamenti di pressione. Gli effetti dello strato limite sulla portanza sono contenuti nel coefficiente di portanza e gli effetti sulla resistenza sono contenuti nel coefficiente di resistenza.
NOTA STORICA: La teoria che descrive gli effetti dello strato limite fu presentata per la prima volta da Ludwig Prandtl nei primi anni del 1900. Le equazioni generali dei fluidi erano note da molti anni, ma le soluzioni delle equazioni non descrivevano correttamente gli effetti di flusso osservati (come gli stalli delle ali). Prandtl fu il primo a capire che la grandezza relativa delle forze inerziali e viscose cambiava da uno strato molto vicino alla superficie a una regione lontana dalla superficie. Egli propose per primo la soluzione a due strati accoppiati interattivamente, che modella correttamente molti problemi di flusso.
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