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Teoría de la capa límite (fluidos)

1904
  • Ludwig Prandtl
Ingeniero aeroespacial analizando el flujo de aire alrededor de un modelo de ala de avión en un túnel de viento.

The boundary layer is the thin layer of fluid in the immediate vicinity of a bounding surface where the effects of viscosidad are significant. Introduced by Ludwig Prandtl, this concept simplifies fluid dynamics problems by dividing the flow into two regions: the thin boundary layer where viscosity dominates and the outer region where inviscid flow theory can be applied.

Ludwig Prandtl’s boundary layer theory was a monumental breakthrough that reconciled theoretical fluid dynamics with experimental results. Before 1904, theory based on inviscid flow (like d’Alembert’s paradox) incorrectly predicted zero drag for objects moving through a fluid, a clear contradiction of reality. Prandtl proposed that the effects of fluid friction (viscosity), while negligible in the bulk of the flow, are critically important in a very thin layer adjacent to the object’s surface. This is the boundary layer.

Within this layer, the fluid velocity changes from zero at the surface (the no-slip condition) to the free-stream velocity at the edge of the layer. This velocity gradient creates shear stress, which is the source of skin friction drag, one of the two main components of aerodynamic drag. The behavior of the boundary layer is crucial. It can be either smooth and orderly (laminar) or chaotic and irregular (turbulent). A turbulent boundary layer has more energy and is more resistant to separating from the surface, but it also creates significantly more skin friction drag. Flow separation, where the boundary layer detaches from the surface, often occurs due to an adverse pressure gradient and leads to a massive increase in pressure drag, which is the other main drag component. Understanding and controlling the boundary layer is a central goal of aerodynamic design.

UNESCO Nomenclature: 2210
- Mecánica

Tipo

Sistema abstracto

Disrupción

Revolucionario

Utilización

Uso generalizado

Precursores

  • Ecuaciones de Navier-Stokes que describen el flujo viscoso
  • D’Alembert’s paradox, which highlighted the discrepancy between inviscid theory and reality
  • Observaciones experimentales de la resistencia y el arrastre de fluidos

Aplicaciones

  • Diseño de carrocerías aerodinámicas como alas de aviones y carrocerías de automóviles para reducir la resistencia
  • Análisis de transferencia de calor en motores y refrigeración de electrónica
  • Comprender y controlar la separación del flujo
  • Diseño de álabes de turbinas y compresores
  • development of ‘shark skin’ surfaces for drag reduction

Patentes:

NA

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