2.6 Rajakerros

Rajakerros on kappaleen pinnan välittömässä läheisyydessä oleva kerros, jossa ilman nopeus on 99% tai vähemmän pintaa kauempana ympäröivän ns. vapaan virtauksen nopeudesta. Rajakerroksessa muodostuu kitkavastus. Lisäksi se vaikuttaa muodollaan profiilin muotovastukseen, joten sillä on tärkeä osa aerodynamiikassa. Yksinkertaisin esimerkki rajakerroksesta saadaan tarkastelemalla seuraavan kuvan virtausta sileän levyn pinnassa. Rajakerros on laminaarinen, jos virtaviivat eivät leikkaa toisiaan ja turbulenttinen, jos virtaus on sekoittunut ja virtaviivoja on vaikea erottaa. Väliin jää muutosalue, jossa virtaus muuttuu turbulenttiseksi. Kuvassa rajakerroksen paksuus on liioiteltu, jotta sitä voisi kuvata. Sen todellinen paksuus on laminaarisella alueella millejä ja turbulenttisella alueellakin vain senttejä. Jos pääsee katsomaan virtaukseia aivan laivan kyljen vieressä voi erottaa selvästi rajoittuvan pyörteisen alueen, joka ulottuu laivan koosta ja katselukohdan sijainnista kymmenien senttien etäisyydelle rungosta.

Kuva: Rajakerros tasaisen levy pinnassa olevassa virtauksessa.  Huomautettakoon tässä, että kuvan skaala on korkeussuunnassa useita kymmeniä kertoja suurennettu, jotta ilmiö erottuisi pinnasta. Rajakerroksen todellinen paksuus on normaalisti etureunassa millin osia ja kauempana millejä.

 

Laminaarisessa rajakerroksessa virtaviivat kulkevat sileästi pinnan suuntaisena ja virtaviivat ovat selvästi erottuvia eivätkä leikkaa toisiaan. Laminaarinen rajakerros on erittäin ohut, noin 0,01—2 mm. Turbulenttiselle rajakerrokselle on kuvaavaa kiemuraiset virtaviivat rajakerroksessa. Siinä tapahtuu virtauksen sekoittumista rajakerroksen ylemmän ja alemman kerroksen välillä, joten välittömästi pinnan lähellä olevilla hiukkasilla on suurempi nopeus kuin mitä oli laminaarisessa rajakerroksessa. Koska turbulenttinen rajakerros on laminaarista paksumpi, sen aiheuttama kitkavastus on suurempi kuin laminaarisen. Kohtaa, jossa laminaarinen virtaus muuttuu turbulenttiseksi, sanotaan transitiopisteeksi. Yleensä transitiopiste on viimeistään profiilin paksuimmassa kohdassa.

Vastuksen pienentämiseksi profiili pyritään muotoilemaan siten, että transitiopiste saataisiin mahdollisimman kauaksi etureunasta. Tällöin profiilille on ominaista kauaksi taakse, noin 40-60%: iin siirtynyt maksimipaksuuden kohta.

Kuva: Virtaus profiilin ympärillä. Patopisteessä virtaus jakautuu profiilin ylä- ja alapuolelle. Patopisteen paikka riippuu kohtauskulmasta. Siiven alapinnalla laminaarialueen leveys on yleensä suurempi kuin yläpinnalla. Yläpinnalla laminaarialue muuttuu helposti turbulenttiseksi, jos pinnassa on vähäisiäkin epätasaisuuksia. Rajakerros paksunee profiilin jättöreunaa kohti. Transitioalueella rajakerros muuttuu laminaarisesta turbulenttiseksi ja se paksunee ja aivan pinnan lähellä olevassa kerroksessa virtausnopeus on suurempi kuin laminaarikerroksessa. Tämä lisää vastusta mutta saattaa estää virtauksen irtoamisen siivestä ja vähentää sakkaustaipumusta.

Koska muuttumiskohtaan vaikuttaa myös profiilin pinnan puhtaus siten, että mikäli epätasaisuudet tunkeutuvat rajakerroksen läpi, niin ne aiheuttavat välittömästi turbulenttisen rajakerroksen. Koska laminaarisen rajakerroksen paksuus on etureunassa vain millin sadas- tai kymmenesosia, on selvää, että profiilin etureunan on oltava sileä ja jopa kiillotettu, jotta voitaisiin puhua laminaarivirtauksesta. Mikäli laminaariprofiili ei ole puhdas, niin sen vastus on suurempi kuin mitä vastaavalla normaaliprofiililla, joten...

MIKÄLI KONEESSA ON LAMINAARIPROFIILI, NIIN SIIVEN ETUREUNA ON PIDETTÄVÄ SILEÄNÄ JA PUHTAANA.

Minulta on usein kysytty, miksi meidän pitää välittää rajakerroksesta, joka on vain muutaman millin tai sentin paksuinen. Vastaus on yksinkertainen: Rajakerroksessa syntyy suurin osa vastuksesta, jota varten tarvitaan moottori ja paljon polttoainetta. Pienikin epäpuhtaus väärässä paikassa kaksinkertaistaa helposti rajakerroksen ja vastuksen. Tärkein asia, jonka voin kertoa purjelentäjille ja mekaanikoille on:

Pitäkää etureuna puhtaana!!!!!

Google: Siiven rajakerros, wing boundary layer

Kuvassa on nopeusjakauman muoto laminaarisessa ja turbulenttisessa rajakerroksessa. Huomaa erityisesti välittömästi pinnan lähellä turbulenttisessa rajakerroksessa virtausnopeus on suurempi kuin laminaarisessa. Turbulenttinen rajakerros on myös paljon paksumpi kuin laminaarinen.

Siiven etureunasta paksuimpaan kohtaan on profiilin muodon ja puhtauden suhteen tärkein alue, koska kaikki epätasai­suudet ja muotovirheet muuttavat virtauksen turbulenttiseksi ja lisäävät kitkavastusta. Pienikin epätasaisuus tai kohouma kuten niitin kanta aiheuttaa paikallisesti virtauksen muuttumisen turbulenttiseksi ja vaikutusta lisää se, että turbulenttinen alue leviää häiriöpisteen jälkeen, mikä lisää sen haitallista vaikutusta.