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境界層（きょうかいそう、英: boundary layer）とは、ある粘性流れにおいて、粘性による影響を強く受ける層のことである。1904年、ドイツの物理学者ルートヴィヒ・プラントルによって発見された。 たとえば静止物体の置かれた一様流を考えたとき、物体近傍の流体は粘性によって物体に引っ張られ、速度が減少している。当然その減少の度合いは物体から離れるにつれ小さくなってゆくが、ある距離で無視できる程度になる。従って、この距離を境に粘性が強く影響する層と無視できる層に分けることができる。 このように粘性の影響の大きさに基づいて粘性流を二つの層に分けることを境界層近似といい、粘性を強く受ける方の層を境界層と呼んでいる。「近似」の適用によって、境界層外では比較的平易な非粘性流の解析を用いることができるため、粘性流の解析を効率的に行うことができる。 また、摩擦抗力は、境界層を生む力の反作用として物体に発生する抗力と考えることもできる。 なお、境界層の厚さについては三つの考え方がある。 境界層の厚さ δ は流れの主流方向の代表長さを l、流れのレイノルズ数を Rel とすると δ l = O ( R e l − 1 2 ) {\displaystyle {\frac {\delta }{l}}=O(Re_{l}^{-{\frac {1}{2}}})} のオーダーで評価される[1][注 1]。すなわち高レイノルズ数流れに対して境界層は薄くなる。また壁面摩擦係数 cf のオーダーも c f := τ w ρ u 2 / 2 = O ( R e l − 1 2 ) {\displaystyle c_{f}:={\frac {\tau _{w}}{\rho u^{2}/2}}=O(Re_{l}^{-{\frac {1}{2}}})} であり、レイノルズ数の増大とともに減少する[1]。ここで τw は壁面せん断力、ρ は流体密度、u は境界層外縁の速度である。
概要
99％境界層厚さ
主流に対し99%までの速度の流れを含めるもの。
運動量厚さ
せん断応力によってエネルギーが失われている部分全てを含めるもの。99％境界層厚さの約1/7.5の大きさである。
排除厚さ
流速が遅くなった分だけ境界層がせり出したと考える厚さ。99％境界層厚さの約1/3の大きさである｡
分類
層流境界層
層流で構成された境界層。層流境界層では流体同士の運動量交換が分子運動（流体分子の衝突）によってしか行われないため、これがあまり活発に行われない。このため乱流境界層よりも先に剥離する他、壁面近くでなだらかに減少する速度分布を示す。従って壁面との速度差が小さく、壁面に働く摩擦抗力は小さい。レイノルズ数が大きくなると乱流境界層へと境界層遷移する。簡単な具体例として、一様な流れの中に平板を流れに沿うように置いた場合、平板前縁からの距離を代表長さとしてレイノルズ数を定義すると、おおよそ3.2×105前後となる地点で層流から乱流への遷移が起きる[2]。
乱流境界層
乱流で構成された境界層。乱流境界層では流体の渦運動によって、大きい速度をもった流体とより壁面近くの運動量の小さい流体が混ざり、活発に運動量交換が行われる。このため、壁面近傍の流体へ運動量が供給され続けるので層流境界層よりも剥離しにくい。