Como um objeto se move através de um fluido, ou como um fluido passa por um objeto, as moléculas do fluido perto do objeto são perturbadas e se movem ao redor do objeto. A magnitude dessas forças depende da forma do objeto, da velocidade do objeto, do maciço do fluido que passa pelo objeto e de duas outras propriedades importantes do fluido: a viscosidade, ou viscosidade, e a compressibilidade, ou viscosidade, do fluido. Para modelar adequadamente estes efeitos, os engenheiros aeroespaciais utilizam parâmetros de similaridade que são relações destes efeitos com outras forças presentes no problema. Se dois experimentos têm os mesmos valores para os parâmetros semelhantes, então a importância relativa das forças está sendo modelada corretamente.
Forças aerodinâmicas dependem de uma forma complexa da viscosidade do fluido. Conforme o fluido passa pelo objeto, as moléculas ao lado da superfície aderem à superfície. As moléculas logo acima da superfície são retardadas em suas colisões com as moléculas que aderem à superfície. Estas moléculas, por sua vez, retardam o fluxo logo acima delas. Quanto mais uma se afastar da superfície, menos colisões serão afetadas pela superfície do objeto. Isto cria uma camada fina de fluido perto da superfície na qual a velocidade muda de zero na superfície para o valor do fluxo livre longe da superfície. Os engenheiros chamam esta camada de camada limite porque ela ocorre no limite do fluido.
Os detalhes do fluxo dentro da camada limite são muito importantes para muitos problemas na aerodinâmica, incluindo a barraca da asa, o atrito da pele arrastada sobre um objeto, e a transferência de calor que ocorre em vôo de alta velocidade. Apresentaremos apenas alguns dos efeitos da camada de limite neste momento.
No slide mostramos a variação de velocidade do fluxo livre para a superfície. Na realidade, os efeitos são tridimensionais. A partir da conservação da massa em três dimensões, uma mudança na velocidade no sentido do fluxo provoca uma mudança na velocidade também nas outras direcções. Há um pequeno componente de velocidade perpendicular à superfície que desloca ou move o fluxo acima dela. É possível definir a espessura da camada limite entre a quantidade desse deslocamento. A espessura do deslocamento depende do número de Reynolds que é a razão entre as forçasinerciais (resistentes à mudança ou ao movimento) e as forças viscosas (pesadas e coladas) e é dada pela equação : Número de Reynolds (Re) igual asvelocidade (V) vezes densidade (r) vezes um comprimento característico (l) dividido pelo coeficiente de viscosidade (mu).
Re = V * r * l / mu
As camadas limítrofes podem ser laminares (em camadas), ou turbulentas (desordenadas) dependendo do valor do número de Reynolds.Para números Reynolds mais baixos, a camada limite é laminar e a velocidade do fluxo muda uniformemente como se está se afastando da parede, como mostrado no lado esquerdo da figura.Para números de Reynolds mais altos, a camada limite é turbulenta e a velocidade no sentido do fluxo é caracterizada por fluxos instáveis (mudando com o tempo) dentro da camada limite. O fluxo externo reage à borda da camada limite tal como o faria à superfície física de um objeto. Isto acontece porque o fluxo no limite tem uma energia muito baixa (em relação ao fluxo livre) e é mais facilmente impulsionado por mudanças na pressão. Os efeitos da camada limite no elevador estão contidos no coeficiente de elevação e os efeitos de ondrag estão contidos no coeficiente de arrasto.
NOTA HISTÓRICA: A teoria que descreve os efeitos da camada limite foi apresentada primeiramente por Ludwig Prandtl no início do século XIX. A equação geral dos fluidos é conhecida há muitos anos, mas as soluções para as equações não descreviam adequadamente os efeitos de fluxo observados (como as bancas de asa). Prandtl foi o primeiro a perceber que a magnitude relativa das forças inerciais e viscosas mudou de uma camada muito próxima da superfície para uma região distante da superfície. Ele primeiro propôs a solução de duas camadas, acopladas interativamente, que modela adequadamente muitos problemas de fluxo.
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