A határréteg az áramlásba helyezett test felületét körbevevő vékony réteg, melyben az áramlást a közeg (levegő vagy folyadék) viszkozitása határozza meg. Ideális összenyomhatatlan közeg esetén belső súrlódás nincs, az áramlást az Euler-egyenletek írják le. Ilyen esetben az áramlásba helyezett test felületén is a folyadék vagy levegő ugyanúgy mozog, mint a testtől távolabb. Valóságos, viszkózus közeg esetén azonban a belső súrlódás következtében a test felületén a közeg részecskéi a testhez képest állnak, a sebesség a felülettől távolodva fokozatosan közelíti meg a súrlódás nélkül számítható értéket. Ezt a vékony réteget, ahol a közeg sebessége eltér az ideálistól, nevezik határrétegnek.
Atmoszferikus határréteg vagy planetáris határréteg a fentiekkel ellentétben a légkörnek a Föld felszínétől számított mintegy 1000 m magasságig terjedő rétege, melyben az időjárási jelenségek lezajlanak. Ezt a fogalmat az atmoszferikus határréteg szócikk ismerteti. thumb|300px|Sík lap menti áramlás határrétege. Kék - lamináris Sárga - turbulens thumb|300px|Nagy állásszög esetén a határréteg leválik a szárnyról és örvények alakulnak ki egy szélcsatorna modellen
Az áramlásba helyezett test elején az úgynevezett torlópontban a közeg sebessége zéró. Ezután a vékony határrétegben lamináris áramlás alakul ki, majd egy bizonyos távolság után a lamináris áramlás turbulensbe vált át. Általában, ha a test keresztmetszete az áramlás mentén enyhén nő, az áramlás lamináris marad, a keresztmetszet csökkenése esetén azonban az áramlás instabillá válik és turbulensbe vált át. Nagyon hirtelen keresztmetszet csökkenés esetén a határréteg leválhat a test felületéről és visszaáramlás kezdődhet erős örvényekkel kísérve.
Sík lemezzel párhuzamos áramlás esetén a lamináris határréteg vastagsága: , a turbulens határréteg vastagsága:
és az átváltás helye: , ahol a
kritikus Reynolds-szám értékek között lehet, pedig a kinematikai viszkozitás.
Súrlódási ellenállás A határrétegben a felülettől távolodva gyorsan változik a sebesség, ezért a lamináris áramlás esetén Newton viszkozitási modellje értelmében a test felületén
nagyságú csúsztató feszültség ébred, ahol a sebesség gradiens, vagyis a sebesség változás "sebessége", a közeg sűrűsége. Ha ismeretes volna a test környezetében az áramlás, a fenti differenciálegyenlet megoldása a test súrlódási ellenállását adná. Gyakorlatilag az ellenállást szélcsatorna kísérletekkel állapítják meg. A mérési eredmények alapján a következő empirikus összefüggéssel számítható a súrlódási ellenállás: , ahol a mérésekkel megállapított súrlódási ellenállási tényező a test felülete A kísérletek szerint az ellenállás tényező a Reynolds-számtól, attól, hogy a határréteg lamináris vagy turbulens és a felület érdességétől függ.
Példa: sík lap súrlódási ellenállása A sík lap ellenállására végzett mérések nagyságrendi tájékoztatást nyújtanak más esetekre is. Lamináris áramlás olyan lemez esetén, melynek áramlás irányába eső hossza l a
Reynolds-szám esetén áll fenn. Ekkor az ellenállás tényező:
empirikus összefüggéssel adható meg. Érdekes, hogy az ellenállás nem függ a lemez felületének érdességétől. Ha a határréteg vegyes (először lamináris, majd turbulens), a súrlódási ellenállás tényező empirikus képlete: thumb|400px|Sík lap súrlódási ellenállás tényezője
Végül hidraulikailag érdes felületen turbulens határréteg esetén az ellenállás tényező: , ahol a felületi érdességtől függő mennyiség: polírozott, húzott matt öntött felületnél. Ha
, a felület hidraulikailag simának vehető. A viszonyok a diagramon láthatók.
Ebből a példából levonható az az általános szabály, hogy a lamináris határréteg ellenállása sokkal kisebb, mint a turbulenssé. A gyakorlatban nem lehet elkerülni repülőgépek esetén, hogy a határréteg előbb-utóbb turbulenssé váljon, azonban törekedni kell arra, hogy ez minél később következzék be. Ennek a felismerésnek tulajdonítható a lamináris szárnyszelvény alkalmazása, melynek megtervezésekor olyan formát kerestek, melynél a turbulens határréteg lehetőleg a profil hátsó részén alakuljon csak ki.
A határréteg leválása thumb|300px|Határréteg leválása lassuló áramlásnál
A tapasztalatok szerint a határréteg stabil marad mindaddig, amíg az áramlás a test közelében gyorsul - vagy a repülőgép szárnya esetén - amíg a profil fokozatosan vastagodik. Hirtelen lassuló áramlás esetén azonban a határréteg elválhat a felülettől és visszaáramlás, örvények keletkezése figyelhető meg. A leváláskor ugrásszerűen megnő a légellenállás. Ha egy szárny állásszöge túlságosan nagy, a felső felületén szintén kialakulhat határréteg leválás, ilyenkor a felhajtóerő ugyancsak rohamosan lecsökken, ennek következtében a repülőgép átesik és zuhanásba vagy dugóhúzóba esik. A leválás elkerülése érdekében az áramlásba helyezett testeknek a kilépőéle felé eső részét enyhén csökkenő keresztmetszetűre ("áramvonalas alakúra") kell kiképezni. A hajók, repülőgépek, szárnyprofilok alakján jól látszik ez a törekvés. A határréteg leválásának veszélyét többféle módon lehet csökkenteni vagy megszüntetni. Ilyenek a különböző résszárnyak, a határréteg leszívása, az áramlás mesterséges gyorsítása.
Források Lajos Tamás: Az áramlástan alapjai. Előadási jegyzet. Budapesti Műszaki Egyetem Áramlástan Tanszék. Budapest, 1992. Kézirat. Magyar Elektronikus Könyvtár Willi Bohl: Műszaki áramlástan. Műszaki könyvkiadó, Budapest, 1983.
Külső hivatkozások A modellrepülés elmélete
Kategória:Áramlástan