流体の流れにおける熱境界層と濃度境界層の理解

流体力学的境界層に加えて、熱境界層と濃度境界層も、流れ内の熱全体と質量輸送に決定的な影響を与えます。

記事「流体力学的境界層」では、層流および乱流における速度プロファイルの経過が、プレートの例を使用してすでに詳細に説明されています。ただし、流体の温度がプレートの温度と異なる場合、プレートは一般に流速だけでなく流れの温度にも影響を与えます。したがって、以下の温度 T0 の等温加熱されたプレートを考えてみましょう。フリーストリームの温度は T∞ です。

壁面直下の流体の温度はT0となります。これは、流体が滑り止め条件によりプレートに付着しているためです。その後、温度は、自由流の温度 T∞ に達するまで、主流方向に対して垂直に低下します。速度境界層に似ているのが温度境界層です。 したがって、 を定義することができ、 これは熱境界層とも呼ばれます。 .

局所的な温度と自由流の温度との差が、プレートと自由流の温度差の 99 % に達する境界領域は、熱境界層とも呼ばれます。

熱が流体にますます浸透し、時間の経過とともに流体層が加熱されると、熱境界層も徐々に成長します。したがって、熱境界層は、温度勾配が存在し、熱の輸送が起こるという事実によって定義されます。

しかし同時に、温度が流体の粘度を決定的に決定するため、熱輸送は流れに影響を与えます。たとえば、温度の上昇によって粘度が低下するため、流体はより速く流れ始めます。これは、熱伝達に影響を及ぼし、ひいては流れそのものにも影響を及ぼします。したがって、熱境界層と流体力学的境界層は相互に影響を及ぼします。通常、両方の境界層の厚さは互いに異なります。

濃度境界層（物質境界層）

2 つ以上の流体が混合される場合、物質輸送は対流だけでなく、濃度の違いによっても引き起こされます。関連する拡散による物質輸送は、伝導による熱輸送と同じように扱われます (記事「フィックの拡散の法則」を参照)。熱伝導率と温度勾配の代わりに拡散係数が使用されるようになりました。 D と濃度勾配 ∂c/∂y。熱流束 \(\dot q\) は拡散流束に対応します。 \(\dot n\) (=単位時間あたりの単位面積あたりの物質の量)。

この時点で、運動量の輸送との類似性を引き出すこともできます。実際、せん断応力 τ は流束の次元も持ちます。 (熱流束または拡散流束に似ています)。定義上、力は単位時間あたりの運動量の変化 (\(F=\frac{\Delta p}{\Delta t}=\dot p\)) であり、運動量の流量を表します。せん断応力の場合のように、この運動量流量を面積に関連付けると、運動量流束について話すこともできます。 (=\(\dot p_a\))。

3 つのケースすべての間の類似性は、勾配に関しても明らかです。温度勾配が熱流の原動力であるのと同様、または濃度勾配が物質輸送の原動力であるのと同様に、運動量流の原動力は速度勾配です。熱境界層や速度境界層と同様に濃度境界層も存在します。 拡散による物質移動を定義できます。

局所濃度と自由流の濃度の差が、プレートと自由流の濃度差の 99 % に達する境界領域は、濃度境界層とも呼ばれます。

詳しく見ると、濃度境界層が流体力学的境界層や熱境界層とは独立して存在するわけではないことがわかります。一方で、特に気体の場合、拡散係数は温度に非常に強く依存するため、熱境界層は物質輸送に直接影響します。一方、流体力学的境界層内の流れは、拡散した粒子を奪い取ります。この除去が比較的迅速に行われると、大きな濃度勾配が形成されます。これにより、物質輸送が増加します。したがって、速度境界層は濃度境界層にも直接影響します。

結論としては、3 つの境界層はすべて常に相互に影響しており、それぞれを独立して考慮することはできないということです。これは無次元数に直接つながります。 、2 つの境界層を相互に関連付けます。これらについては、次のセクションで詳しく説明します。