التحكم في الطبقة الحدية

في الهندسة، يشير التحكم في الطبقة الحدية إلى طرق التحكم في سلوك الطبقات الحدية لتدفق السوائل .

قد يكون من المستحسن تقليل انفصال التدفق في المركبات السريعة لتقليل حجم منطقة الاضطراب (الانسيابية)، مما قد يقلل من مقاومة الهواء. ويُعدّ انفصال الطبقة الحدية غير مرغوب فيه عمومًا في أنظمة الطائرات ذات معامل الرفع العالي ومداخل محركات الطائرات النفاثة.

يُنتج التدفق الصفائحي احتكاكًا سطحيًا أقل من التدفق المضطرب، لكن الطبقة الحدية المضطربة تنقل الحرارة بشكل أفضل. كما أن الطبقات الحدية المضطربة أكثر مقاومة للانفصال.

قد يلزم زيادة طاقة الطبقة الحدية للحفاظ على التصاقها بالسطح. ويمكن إدخال هواء نقي عبر فتحات أو مزجه من الأعلى. ويمكن سحب طبقة الزخم المنخفض على السطح عبر سطح مثقب أو تصريفها عند وجودها في قناة ضغط عالٍ. كما يمكن إزالتها تمامًا بواسطة محول أو قناة تصريف داخلية. ويمكن زيادة طاقتها لتتجاوز طاقة التيار الحر عن طريق إدخال هواء عالي السرعة.

ذكر عالم الحيوان البريطاني السير جيمس غراي أن الدلافين تمتلك على ما يبدو طبقة حدية مضطربة لتقليل احتمالية الانفصال وتقليل مقاومة الهواء، وأن آليات الحفاظ على طبقة حدية انسيابية لتقليل احتكاك الجلد لم تُثبت بعد لدى الدلافين. عُرفت هذه الظاهرة باسم مفارقة غراي . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

تحتوي أجنحة الطيور على ميزة في الحافة الأمامية تسمى " الألولا" والتي تؤخر توقف الجناح عند السرعات المنخفضة بطريقة مشابهة للشرائح الأمامية في جناح الطائرة. ^{[ 3 ]}

تتميز الأجنحة الغشائية الرقيقة الموجودة على الخفافيش والحشرات بخصائص يبدو أنها تسبب خشونة مناسبة عند أرقام رينولدز المعنية، مما يُمكّن هذه المخلوقات من الطيران بشكل أفضل مما كان سيحدث لولا ذلك. ^{[ 4 ]}

قد تُزوّد ​​الكرات بخصائص تُزيد من خشونة سطحها وتُطيل مسافة ضربها أو رميها. تُؤدي هذه الخشونة إلى اضطراب الطبقة الحدية وبقائها ملتصقة لمسافة أبعد حول الجزء الخلفي قبل أن تنفصل مُحدثةً أثرًا أقل مما هو عليه في الحالة الطبيعية. يُمكن ضرب الكرات بطرق مختلفة لإكسابها دورانًا يجعلها تسلك مسارًا منحنيًا. يُؤدي الدوران إلى انحياز انفصال الطبقة الحدية إلى جانب واحد، مما يُنتج قوة جانبية.

تم تطبيق تقنية التحكم في الطبقة الحدية (الخشونة) على كرات الجولف في القرن التاسع عشر. وتعمل الخياطة على كرات الكريكيت والبيسبول كهيكل للتحكم في الطبقة الحدية. ^{[ 5 ]}

في حالة التدفق الحر حول أسطوانة، يمكن استخدام ثلاث طرق للتحكم في انفصال الطبقة الحدية الناتج عن تدرج الضغط المعاكس. ^{[ 6 ]} يمكن لتدوير الأسطوانة أن يقلل أو يزيل الطبقة الحدية المتكونة على الجانب المتحرك في نفس اتجاه التدفق الحر. كما أن الجانب المتحرك عكس اتجاه التدفق يُظهر انفصالًا جزئيًا فقط للطبقة الحدية. ويمكن أيضًا تأخير بدء الانفصال عن طريق الشفط المطبق من خلال شق في الأسطوانة بالقرب من نقطة الانفصال، وذلك بإزالة جزيئات السائل التي تباطأت في الطبقة الحدية. بدلاً من ذلك، يمكن نفخ السائل من شق مُسوّى بحيث يتسارع السائل المتباطئ، وبالتالي يتأخر حدوث الانفصال.

طُوِّرت الأجنحة ذات التدفق الصفائحي في ثلاثينيات القرن العشرين من خلال تشكيلها للحفاظ على تدرج ضغط مناسب لمنع حدوث اضطراب. وقد أدت نتائجها في نفق الرياح، والتي أظهرت مقاومة منخفضة، إلى استخدامها في طائرات مثل P-51 وB-24، إلا أن الحفاظ على التدفق الصفائحي تطلب مستويات منخفضة من خشونة السطح وتموجاته، وهي مستويات غير متوفرة عادةً في الخدمة الفعلية. ^{[ 7 ]} ويذكر كراغ ^{[ 8 ]} أن الاختبارات التي أُجريت على جناح P-51 في نفق الرياح عالي السرعة DVL في برلين أظهرت أن تأثير التدفق الصفائحي اختفى تمامًا عند أرقام رينولدز الحقيقية للطيران . ويتطلب تطبيق التدفق الصفائحي في التطبيقات ذات أرقام رينولدز العالية عمومًا أسطحًا ناعمة جدًا وخالية من التموجات، وهو ما قد يصعب إنتاجه والحفاظ عليه. ^{[ 7 ]}

يُطلق على الحفاظ على التدفق الصفائحي من خلال التحكم في توزيع الضغط على سطح الجناح اسم التدفق الصفائحي الطبيعي (NLF) ^{[ 7 ]} وقد حقق مصممو الطائرات الشراعية نجاحًا كبيرًا في ذلك. ^{[ 9 ]}

في الأجنحة المائلة، يصبح تدرج الضغط المواتي عاملاً مُزعزعاً للاستقرار بسبب التدفق العرضي، ويصبح الشفط ضرورياً للتحكم في هذا التدفق. ^{[ 10 ]} يُعرف تعزيز تأثير تشكيل الجنيح بشفط الطبقة الحدية بالتحكم في التدفق الصفائحي (LFC). ^{[ 7 ]}

تعتمد طريقة التحكم المطلوبة للتحكم في التدفق الصفائحي على رقم رينولدز وزاوية انحناء الحافة الأمامية للجناح. ^{[ 11 ]} يشير التحكم الهجين في التدفق الصفائحي (HLFC) ^{[ 7 ]} إلى تقنية الأجنحة المنحنية حيث يُطبق التحكم في التدفق الصفائحي (LFC) فقط على منطقة الحافة الأمامية للجناح المنحني، بينما يُطبق التحكم في التدفق غير الصفائحي (NLF) خلفها. ^{[ 12 ]} تشمل الأنشطة التي ترعاها وكالة ناسا تطبيق التحكم في التدفق غير الصفائحي على حاضنات المحركات، والتحكم الهجين في التدفق الصفائحي على الأسطح العلوية للأجنحة والأسطح الأفقية والرأسية للذيل. ^{[ 13 ]}

في هندسة الطيران، يمكن استخدام التحكم في الطبقة الحدية لتقليل السحب الطفيلي وزيادة زاوية الهجوم الفعالة . أحيانًا ما تُجهز مداخل المحرك المثبتة على جسم الطائرة بلوحة فاصلة .

أُجريت العديد من الأبحاث لدراسة تحسين أداء الرفع بسبب الشفط للأجنحة الهوائية في عشرينيات وثلاثينيات القرن العشرين في معهد أبحاث الديناميكا الهوائية في غوتينغن .

من الأمثلة على الطائرات المزودة بنظام تحكم نشط في طبقة الحدود، الطائرة البحرية اليابانية شينمايوا يو إس-1 . ^{[ 14 ]} استُخدمت هذه الطائرة الكبيرة ذات المحركات الأربعة في الحرب المضادة للغواصات وعمليات البحث والإنقاذ . وكانت قادرة على الإقلاع والهبوط القصيرين والتحليق بسرعات منخفضة للغاية. أما الطائرة التي حلت محلها في مهام البحث والإنقاذ، وهي شينمايوا يو إس-2 ، فتستخدم نظامًا مشابهًا يُمكّنها من الطيران بسرعة 50 عقدة. ^{[ 15 ]} وتُستخدم هذه الميزة أيضًا في طائرة بوينغ 787-9 دريملاينر.

• رفرف منتفخ
• تأثير كواندا
• جهاز رفع عالي
• جناح مراقبة حركة المرور
• فتحة الحافة الأمامية
• سحب الطبقة الحدية
• مولد الدوامات
• الديناميكا الهوائية
• مُحسِّن الاضطراب