境界層

物体が流体中を移動するとき、あるいは流体が物体を通過するとき、物体近くの流体の分子は乱れ、物体の周りを移動します。この力の大きさは、物体の形状、物体の速度、物体を通過する流体の質量、そして流体の粘性（粘着性）と圧縮性（ばね性）という2つの重要な特性によって決まります。これらの効果を適切にモデル化するために、航空宇宙エンジニアは、問題に存在する他の力に対するこれらの効果の比率である類似性パラメータを使用します。

空気力学的な力は、流体の粘性に複雑に依存します。流体が物体を通過するとき、表面のすぐ隣にある分子は表面に付着する。表面直上の分子は、表面に張り付いている分子と衝突して速度を落とし、これらの分子はその直上の流れを減速させる。表面から遠ざかれば遠ざかるほど、物体の表面による衝突は少なくなります。このため、表面付近には薄い流体層が形成され、表面での速度がゼロから、表面から離れたところでの自由な流れの値へと変化する。

境界層内の流れの詳細は、翼の失速、物体の表面摩擦抵抗、高速飛行中に起こる熱伝達など、航空力学の多くの問題にとって非常に重要です。残念ながら、境界層理論の物理的、数学的詳細はこの初心者ガイドの範囲を超えており、通常は大学の学部後半または大学院で勉強することになります。

スライドでは、自由な流れから表面までの流線速度の変化を示しています。実際には3次元的な効果がある。三次元の質量保存から、流線方向の速度変化は他の方向の速度変化も引き起こす。表面に垂直な方向にも小さな速度成分があり、これが表面上の流れを変位させたり、移動させたりする。境界層の厚さは、この変位の量と定義することができる。この変位の厚さは、慣性力（変化や運動に対する抵抗力）と粘性力（重くて糊のような力）の比であるレイノルズ数によって決まり、次式で与えられる。レイノルズ数（Re）は、速度（V）×密度（r）×特性長（l）を粘性係数（mu）で割ったものに等しい。レイノルズ数が小さいと境界層は層状となり、図の左側に示すように壁から離れるに従って流速が一様に変化する。レイノルズ数が大きくなると、境界層は乱流となり、境界層内部では流速が非定常（時間とともに変化する）な旋回流となります。これは、境界の流れが（自由な流れに比べて）非常に低いエネルギーを持ち、圧力の変化により容易に駆動されるためである。境界層が揚力に及ぼす影響は揚力係数に、抗力に及ぼす影響は抗力係数に含まれる。一般的な流体方程式は長年知られていたが、その方程式の解は（翼の失速のような）観察された流れの効果を適切に表現することができなかった。 Prandtlは、慣性力と粘性力の相対的な大きさが、表面近くの層と表面から遠い領域とで変化することに初めて気づいたのである。彼は、多くの流れの問題を適切にモデル化する相互結合二層解を初めて提案した。

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