Határréteg, a határréteg leválása


A vitorla körüli légáramlás két típusú áramlási területre osztható fel: a külső áramlási területre és a határréteg-területre. Ez utóbbi a vitorla felületének közvetlen közelében lévő levegőréteg. A viszkozitás miatt a vitorlával közvetlen érintkezésben lévő levegőrészecskék a vitorlára tapadnak, azzal együtt mozognak, így a vitorlához viszonyított sebességük nulla lesz. A vitorlától kis távolságra lévő levegőrészecskék már valamilyen sebességgel mozognak a vitorlához képest, de még nem érik el a külső áramlás sebességét. A határrétegnek ott van a külső széle, ahol a levegőrészecskék a külső áramlási terület adott pontján kialakult sebességgel mozognak.

Az áramlás típusa szerint a határrétegen belül három terület található (1. ábra). A vitorla belépőéle közelében a vitorlától a határréteg széléig haladva a sebesség egyenletesen változik a határrétegen belül. Ez a lamináris (réteges) áramlású határréteg, röviden lamináris határréteg. A határrétegen belüli bizonytalanság, a vitorla egyenetlenségei (mint pl. a kötéllovasok, a forstág és a vitorlavarratok) által okozott áramlási zavarok és a levegőben mindig jelenlévő valamennyi természetes turbulencia miatt a lamináris áramlás egyenletes sebességváltozását fokozatosan felváltja egy sokkal rendezetlenebb áramlás. Ez a szakasz a határréteg átmeneti területe, az átmeneti határréteg. E rövid átmeneti terület után a határrétegben már nagyon rendezetlenné válik áramlás. Ez a turbulens (gomolygó) határréteg-áramlási terület, a turbulens határréteg. A lamináris határréteg-áramlásból a turbulens határréteg-áramlásba való váltás nincs észrevehető hatással a külső áramlásra, ezért a vitorla felhajtóereje nem nagyon változik. A váltás észrevehető hatása az, hogy a turbulens áramlási területen nagyobb a súrlódásból származó ellenállás, mint a lamináris áramlási területen. (Ennek a hajó víz alatti részén, pl. a kílnél, a kormánynál, van nagy jelentősége. A hajó aljának a tisztán tartása késlelteti az áramlás átváltását laminárisból turbulensbe, ezért kisebb lesz a súrlódási ellenállás.)


1. ábra


Amikor a határréteg nem tudja követni a vitorla felületét, akkor leválik (2. ábra). Ezt nevezzük áramlásleválásnak. Ha az áramlás leválik a vitorláról, akkor a vitorla veszít a hajtóerejéből és a hajó lelassul, ezért vitorlázás közben folyamatosan arra kell törekednünk, hogy ne következzen be a határréteg leválása. Ehhez viszont tudnunk kell, hogy mi okozza a leválást és hogyan akadályozhatjuk azt meg. A határréteg csak akkor fog leválni a vitorla felületéről, ha a nyomás túlságosan gyorsan növekedik vitorla mentén. Minél gyorsabban nő a nyomás, annál valószínűbb, hogy a határréteg le fog válni. Viszont az is igaz, hogy a határréteg nem fog leválni, ha a vitorla mentén csökken a nyomás. A határréteg leválása bekövetkezhet mind a lamináris áramlási területen, mind pedig a turbulens áramlás területén. (Az aerodinamikában a turbulens kifejezés nem a levált áramlásra vonatkozik, hanem a turbulens határrétegre.)


2. ábra


A lamináris áramlás jóval kevésbé tud leválás nélkül ellenállni a nyomás növekedésének, mint a turbulens áramlás, ezért a belépőélnél az áramlás nagyon könnyen leválik, és kialakul az ún. belépőéli vagy lamináris leválási buborék. Arvel Gentry egy vadászgép nagyon vékony szárnyainak a vizsgálta során találkozott először ezzel a jelenséggel. A szárny állásszögének a növelésekor az áramlás már a belépőélnél levált, de később ismét a szárny felső felülethez tapadt. Amikor tovább növelte az állásszöget, akkor nőtt a leválási buborék hossza. Végül, amikor az áramlás már nem tudott visszatapadni a szárnyra, a leválási buborék szétrobbant és átterjed a szárny teljes felületére, ami túlhúzottságot, átesést okozott.

Az orrvitorla belépőélénél is ugyanez játszódik le. Erről egy egyszerű kísérlettel győződött meg. 500 rövid fonalból (tuft) álló áramlásjező rendszert helyezett fel az orrvitorlára. Ezek nem azonosak az elterjedten használt hosszú áramlásjelző fonalakkal (telltale). A kísérlet során azt történt, amit az elmélet megjósolt: amikor a megfelelően beállított vitorlával vitorlázó hajót egy kicsit ejtette (azaz növelte a vitorla állásszögét) az egész első él mentén megjelent a leválási buborék. A hajó további ejtése a buborék kiszélesedését okozta, végül a buborék szétrobbant és az egész vitorla túlhúzottá vált.

Tehát a határréteg leválásához növekednie kell a nyomásnak a vitorla mentén, a nyomás pedig akkor növekszik, ha csökken az áramlási sebesség. A vitorla belépőélénél a levegő áramlása felgyorsul, a nyomása lecsökken (szívási csúcs). A vitorla hátsó élénél a szél alatti és a szél felöli oldalon kilakuló áramlásoknak azonos nyomásúaknak kell lenniük (Kutta-feltétel), ezért a szél alatti oldalon nagy sebességgel áramló levegőnek a zavartalan áramlás sebességére kell lelassulnia, mire eléri a vitorla hátsó élét. Ez a lassulás a nyomás növekedésével jár. Az áramlási sebességnek ez a csökkenése és az ezzel járó nyomásnövekedés az, ami adott esetben az áramlás leválását idézheti elő. Tehát, minél nagyobb a szívási csúcs a vitorla első élnél, annál nagyobb az áramlás leválásának a valószínűsége. Egy adott nyomásnövekedés esetén a határréteg leválása a határréteg típusától (lamináris vagy turbulens), a nyomásnövekedés elérése előtti előéletétől és a határréteg szélén kialakult légáramlás sebességétől függ.

A határréteg, természetesen, a szél felöli oldalon is leválhat, azonban ez a leválás elhanyagolható hatással van a felhajtóerő nagyságára.