Techniklexikon

Grenzschicht

dünne Luft- oder Wasserschicht, die bei » Strömungen an Modellen unmittelbar an der Oberfläche entsteht. Die G. entsteht durch die Zähigkeit (Viskosität) des Mediums und die Haftung (Adhäsion) an der Oberfläche. Nach der Art der G. unterscheidet man laminare und turbulente Grenzschichten. Die G. neigt bei Druckanstieg zur Ablösung und Wirbelbildung. Laminare G. lösen leichter ab als turbulente G. Bei der G. ablösung ändern sich die Kräfte am umströmten Körper (z. B. Tragflügel oder Ruder) schlagartig, d. h. die Auftriebskräfte werden gemindert. Das bedeutet für ein Modell u. U. einen derartigen Auftriebsverlust, daß ein instabiler Flugzustand (Abschmieren, Trudeln) eintritt oder das/die Ruder fast wirkungslos werden. In der G. entsteht der aerodynamische bzw. hydrodynamische Reibungswiderstand, der bei einer laminaren Grenzschicht geringer ist als bei einer turbulenten Grenzschicht (Laminarprofile). Strömungsmechanik, 1) Geophysik, Meteorologie: planetare Grenzschicht.

2) Oberflächenphysik: Grenzfläche.

3) Plasmaphysik: Plasmarandschicht.

4) Strömungsdynamik: Prandtlsche Grenzschicht, Reibungsschicht, eine sehr dünne Schicht in unmittelbarer Nähe eines von einem Fluid umströmten Körpers, auf die sich der Einfluss der Reibung bei grossen Reynolds-Zahlen beschränkt. Sie hat wichtige Auswirkungen auf den Wärme- und Stoffaustausch zwischen Fluid und Wand, etwa bei der Wärmeisolierung von Häusern oder den CO₂- und H₂O-Austausch von Pflanzenblättern.

Wird ein Körper in eine homogene Strömung mit der Strömungsgeschwindigkeit U gebracht, so ist sie direkt am Körper null (Haftbedingung), und erst in einiger Entfernung vom Körper ist sie gleich U. Das Gebiet, in dem sich die Strömungsgeschwindigkeit von 0 auf U merklich ändert, heisst nach L. Prandtl auch Prandtlsche Grenzschicht. Je nach Ausbildung der Strömung innerhalb Schicht unterscheidet man laminare oder turbulente Grenzschichten. Während für die laminaren Grenzschichten eine umfassende Theorie ausgearbeitet wurde, die auf der Grenzschichtgleichung beruht, gibt es bislang keine umfassende Theorie der turbulenten Grenzschicht, und alle Berechnungsverfahren haben noch einen halbempirischen Charakter (Turbulenz).

Die Grenzschichtdicke wird auf verschiedene Weise definiert. Sie nimmt mit der Ausdehnung des umströmten Körpers in Strömungsrichtung und der Viskosität der Flüssigkeit zu und ist um so kleiner, je grösser U ist. Wird die Strömung um den Körper verzögert, so kommt es zur unerwünschten Grenzschichtablösung, die den Strömungswiderstand wesentlich heraufsetzt. Es wird daher versucht, dies durch geeignete Massnahmen (z.B. Grenzschichtabsaugung) zu verhindern. Aus dem gleichen Grund wird versucht, die Grenzschicht laminar zu halten, d.h. den Grenzschichtumschlag möglichst nach hinten zu verschieben. Die auf der Grenzschichtgleichung beruhende Grenzschichttheorie kann den Ort der Grenzschichtablösung berechnen und damit den Ort, an dem die Bildung von Wirbeln bei der Umströmung des Körpers einsetzt.

Grenzschicht: Geschwindigkeitsprofil einer Strömung in Wandnähe.