Como devemos pensar em 'camadas' de fluxo de ar?

Para entender o que é uma camada limite, pense em mover o ar acima de uma placa plana. Antes da placa e muito longe dela, o ar tem a mesma velocidade e direção. No entanto, diretamente na placa, sua velocidade é zero: as moléculas diretamente na placa não se movem em tudo .

Entre a superfície da placa onde o ar não está se movendo e a certa distância dele onde o ar tem uma velocidade constante, existe uma zona onde o ar muda muito sua velocidade. Nós chamamos essa camada limite da zona.

Não há realmente nenhum limite claro e distinto delimitando-o. É por isso que temos muitas definições pela sua espessura. A linha tracejada na imagem abaixo é provavelmente a espessura da camada limite de 99%.

Geralmente, damos um nome a uma camada quando os efeitos físicos e as propriedades do fluido nessa zona de concreto podem ser diferenciados do restante do fluxo. A maioria deles está em limites de fluidos (superfícies corporais, locais onde os fluidos ficam gasosos, etc.), mas você também pode tê-los dentro de um fluido (ondas de choque).

Por exemplo, em vez de olhar para a velocidade, você pode olhar para a temperatura de um fluido que flui em torno de um corpo muito quente e definir uma camada limite de temperatura.

Algumas camadas conhecidas são:

• Camada limite laminar
• Camada limite turbulenta
• Camada limite de Blasius
• Stokes boundary layer
• camada de Ekman
• Camada de choque
• camada Knudsen
• Camada mesclada

Para mim, a melhor comparação é com uma estrada com várias faixas. Imagine que você dirige e todos os motoristas ficam em sua pista. Então será possível que todos os carros em uma pista se movam para a frente enquanto outra pista rasteja.

Agora imagine que os motoristas mudam de pista com frequência. Os lentos que mudam para uma pista rápida forçam os outros a frear, enquanto os mais rápidos, que entram em uma pista lenta, empurram os retardatários para frente.

Os motoristas que permanecem em sua pista são como moléculas de ar em um fluxo laminar. Eles seguem um caminho reto e interagem com seus vizinhos à esquerda e à direita, principalmente através do cisalhamento, que mudará sua velocidade apenas lentamente. Por outro lado, as moléculas de ar em fluxo turbulento oscilam o tempo todo e colidem com moléculas mais lentas, ou são atingidas por moléculas mais rápidas. Isso faz com que todos eles assumam a mesma velocidade, mais ou menos. Apenas na parede você encontra um strong gradiente de velocidade, talvez como em um onramp em uma rodovia. Os carros lentos que entram na auto-estrada aceleram muito rápido quando outros entram em pista com frequência.

Claro que não há pistas nem marcas de pista no ar. O fluxo de ar é como uma estrada com um número infinito de pistas infinitamente pequenas e, em vez de produzir acidentes, as moléculas que esbarram umas nas outras estão apenas criando pressão local. A camada limite que é mencionada tantas vezes é, no final, uma questão de definição: A camada limite é definida para terminar quando o fluxo local atingiu 99% da velocidade do fluxo fora da camada limite. Isso permite dividir o fluxo em um regime sem efeitos viscosos longe do corpo, que é mais fácil de calcular, e um com efeitos viscosos em uma folha fina em torno dele. Na realidade, não existe tal coisa, todo o ar segue as mesmas leis.

Pense nas camadas mais como um líquido - imagine água corrente, assim como às vezes há um fluxo rápido de água na superfície ou em um espaço reduzido, com correntes mais lentas sob a superfície.

A aerodinâmica é, na verdade, uma área de dinâmica dos fluidos, com o ar sendo um fluido compressível.

A equação de Navier-Stokes pode ser derivada para mostrar matematicamente como a camada limite realmente funciona se você quiser invadir ainda mais.