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Teoria dello strato limite (fluidi)

1904
  • Ludwig Prandtl
Ingegnere aerospaziale analizza il flusso d'aria attorno a un modello di ala di aereo in una galleria del vento.

The boundary layer is the thin layer of fluid in the immediate vicinity of a bounding surface where the effects of viscosità 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.

All'interno di questo strato, la velocità del fluido varia da zero in superficie (condizione di assenza di scorrimento) alla velocità di flusso libero al bordo dello strato. Questo gradiente di velocità crea uno sforzo di taglio, che è la fonte della resistenza d'attrito superficiale, una delle due componenti principali della resistenza aerodinamica. Il comportamento dello strato limite è cruciale. Può essere liscio e ordinato (laminare) o caotico e irregolare (turbolento). Uno strato limite turbolento ha più energia ed è più resistente alla separazione dalla superficie, ma crea anche una resistenza d'attrito superficiale significativamente maggiore. La separazione del flusso, dove lo strato limite si stacca dalla superficie, si verifica spesso a causa di un gradiente di pressione avverso e porta a un massiccio aumento della resistenza di pressione, che è l'altra componente principale della resistenza. Comprendere e controllare lo strato limite è un obiettivo centrale della progettazione aerodinamica.

UNESCO Nomenclature: 2210
- Meccanica

Tipo

Sistema astratto

Interruzione

Rivoluzionario

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • Equazioni di Navier-Stokes che descrivono il flusso viscoso
  • D’Alembert’s paradox, which highlighted the discrepancy between inviscid theory and reality
  • Osservazioni sperimentali sulla resistenza e la resistenza dei fluidi

Applicazioni

  • progettazione di corpi aerodinamici come le ali degli aerei e le carrozzerie delle automobili per ridurre la resistenza
  • analisi del trasferimento di calore nei motori e nel raffreddamento dell'elettronica
  • comprendere e controllare la separazione del flusso
  • progettazione delle pale della turbina e del compressore
  • development of ‘shark skin’ surfaces for drag reduction

Brevetti:

NA

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