Als een voorwerp door een vloeistof beweegt, of als een vloeistof langs een voorwerp beweegt, worden de moleculen van de vloeistof in de buurt van het voorwerp verstoord en bewegen rond het voorwerp.Er ontstaan aërodynamische krachten tussen de vloeistof en het voorwerp. De grootte van deze krachten hangt af van de vorm van het voorwerp, de snelheid van het voorwerp, de massa van de vloeistof die langs het voorwerp gaat en van twee andere belangrijke eigenschappen van de vloeistof: de viscositeit, of kleverigheid, en de samendrukbaarheid, of veerkracht, van de vloeistof. Om deze effecten goed te modelleren, gebruiken de ruimtevaartingenieurs gelijkmatigheidsparameters die verhoudingen zijn tussen deze effecten en andere krachten die in het probleem aanwezig zijn. Als twee experimenten dezelfde waarden hebben voor de similariteitsparameters, dan wordt het relatieve belang van de krachten correct gemodelleerd.
Aerodynamische krachten hangen op een complexe manier af van de viscositeit van de vloeistof. Als de vloeistof langs het voorwerp beweegt, blijven de moleculen vlak naast het oppervlak aan het oppervlak kleven. De moleculen vlak boven het oppervlak worden afgeremd in hun botsingen met de moleculen die aan het oppervlak kleven. Deze moleculen vertragen op hun beurt de stroming vlak boven hen. Hoe verder men zich van het oppervlak verwijdert, des te minder worden de botsingen beïnvloed door het objectoppervlak. Hierdoor ontstaat een dunne laag vloeistof aan het oppervlak waarin de snelheid verandert van nul aan het oppervlak tot de waarde van de vrije stroom weg van het oppervlak. Ingenieurs noemen deze laag de grenslaag, omdat zij zich op de grens van de vloeistof bevindt.
De details van de stroming binnen de grenslaag zijn zeer belangrijk voor vele problemen in de aërodynamica, met inbegrip van het overtrekken van de vleugel, de huidwrijving op een voorwerp, en de warmteoverdracht die bij het vliegen met hoge snelheid optreedt.Helaas vallen de fysische en wiskundige details van de theorie van de grenslaag buiten het bestek van deze beginnersgids en worden zij gewoonlijk bestudeerd aan het eind van de middelbare school of in de graduate school. We zullen op dit moment slechts enkele effecten van de grenslaag laten zien.
Op de dia tonen we de stroomsnelheidsvariatie van de vrije stroom naar het oppervlak. In werkelijkheid zijn de effecten driedimensionaal. Uit het behoud van massa in drie dimensies volgt dat een snelheidsverandering in de stroomrichting ook een snelheidsverandering in de andere richtingen veroorzaakt. Er is een kleine snelheidscomponent loodrecht op het oppervlak die de stroming erboven verplaatst of in beweging brengt. Men kan de dikte van de grenslaag definiëren als de hoeveelheid van deze verplaatsing. De dikte van de verplaatsing hangt af van het Reynoldsgetal dat de verhouding is tussen deinertiaalkrachten (bestand tegen verandering of beweging) en de viskeuze krachten (zwaar en kleverig) en wordt gegeven door de vergelijking : Reynoldsgetal (Re) is gelijk aan snelheid (V) maal dichtheid (r) maal een karakteristieke lengte (l) gedeeld door de viscositeitscoëfficiënt (mu).
Re = V * r * l / mu
Grenslagen kunnen laminaire (gelaagde), of turbulente (ongeordende) lagen zijn, afhankelijk van de waarde van het Reynoldsgetal.Bij lagere Reynoldsgetallen is de grenslaag laminair en verandert de stroomsnelheid gelijkmatig naarmate men zich van de wand verwijdert, zoals links in de figuur is te zien.Bij hogere Reynoldsgetallen is de grenslaag turbulent en wordt de stroomsnelheid gekenmerkt door onregelmatige (met de tijd veranderende) wervelende stromingen binnen de grenslaag.De externe stroming reageert op de rand van de grenslaag net zoals op het fysieke oppervlak van een voorwerp.Dus de grenslaag geeft elk voorwerp een “effectieve” vorm die meestal enigszins afwijkt van de fysieke vorm.Om het nog verwarrender te maken, kan de grenslaag zich van het voorwerp losmaken of “scheiden” en een effectieve vorm creëren die veel afwijkt van de fysieke vorm. Dit gebeurt omdat de stroming in de grenslaag een zeer lage energie heeft (ten opzichte van de vrije stroom) en gemakkelijker wordt aangedreven door veranderingen in de druk. De effecten van de grenslaag op de lift zijn vervat in de liftcoëfficiënt en de effecten op de luchtweerstand zijn vervat in de luchtweerstandscoëfficiënt.
HISTORISCHE OPMERKING: De theorie die de grenslaageffecten beschrijft werd voor het eerst gepresenteerd door Ludwig Prandtl in het begin van de 20e eeuw. De algemene stromingsvergelijkingen waren al vele jaren bekend, maar oplossingen voor de vergelijkingen gaven geen goede beschrijving van waargenomen stromingseffecten (zoals het overtrekken van de vleugel). Prandtl was de eerste die zich realiseerde dat de relatieve grootte van de traagheidskrachten en de viskeuze krachten veranderde van een laag dicht bij het oppervlak tot een gebied ver van het oppervlak. Hij stelde als eerste de interactief gekoppelde, twee lagen oplossing voor, die veel stromingsproblemen goed modelleert.
Activiteiten:
Rondleidingen
-
Bronnen van weerstand: 
- Inlaat:
Navigatie …
Beginner’s Guide Home Page
