Qu’est-ce que le frottement de la peau?

Friction de la peau – Drag Friction

Comme cela a été écrit, lorsque circule un fluide sur une surface fixe , par exemple la plaque plane, le lit d’une rivière, ou la paroi d’un tuyau, le fluide de toucher la surface est amenée à reposer par la contrainte de cisaillement au niveau de la paroi. La région dans laquelle l’écoulement s’ajuste d’une vitesse nulle au mur à un maximum dans le flux principal de l’écoulement est appelée couche limite . Par conséquent, un fluide en mouvement exerce des forces de cisaillement tangentielles sur la surface en raison de la condition antidérapante causée par des effets visqueux. Ce type de force de traînée dépend notamment de la géométrie, de la rugosité de la surface solide (uniquement en écoulement turbulent ) et du type d’écoulement du fluide . lela traînée de friction est proportionnelle à la surface. Par conséquent, les corps ayant une surface plus grande subiront une plus grande résistance à la friction. C’est pourquoi les avions commerciaux réduisent leur surface totale pour économiser du carburant. La traînée de frottement est une fonction importante de la viscosité et un fluide «idéalisé» de viscosité nulle produirait une traînée de frottement nulle puisque la contrainte de cisaillement de la paroi serait nulle.

Le frottement de la peau est causé par une traînée visqueuse dans la couche limite autour de l’objet. Les caractéristiques de base de toutes les couches limites laminaires et turbulentes sont présentées dans le flux en développement sur une plaque plate. Les étapes de la formation de la couche limite sont indiquées dans la figure ci-dessous:

Les couches limites peuvent être soit laminaire ou turbulent en fonction de la valeur de la nombre de Reynolds .

Pour les nombres de Reynolds inférieurs , la couche limite est laminaire et la vitesse dans le flux change uniformément à mesure que l’on s’éloigne du mur, comme indiqué à gauche de la figure. À mesure que le nombre de Reynolds augmente (avec x), l’ écoulement devient instable et finalement, pour les nombres de Reynolds supérieurs, la couche limite est turbulente et la vitesse en aval est caractérisée par des écoulements tourbillonnants instables (changeant dans le temps) à l’intérieur de la couche limite.

La transition de la couche limite laminaire à la couche turbulente se produit lorsque le nombre de Reynolds à x dépasse Re _x ~ 500 000 . La transition peut se produire plus tôt, mais cela dépend surtout de la rugosité de la surface . La couche limite turbulente s’épaissit plus rapidement que la couche limite laminaire en raison de la contrainte de cisaillement accrue à la surface du corps.

Il existe deux manières de réduire la traînée de friction :

• le premier consiste à façonner le corps en mouvement de manière à permettre un écoulement laminaire
• la deuxième méthode consiste à augmenter la longueur et à réduire la section transversale de l’objet en mouvement autant que possible.

Le coefficient de friction de la peau , C _{D, friction} , est défini par

Il faut noter que le coefficient de frottement de la peau est égal au facteur de frottement de Fanning . Le facteur de friction de Fanning, nommé d’après John Thomas Fanning, est un nombre sans dimension, soit un quart du facteur de friction de Darcy . Comme on peut le constater, il existe un lien entre les forces de friction de la peau et les pertes de charge par friction .

Voir aussi: Facteur de friction Darcy

Pour l’écoulement laminaire dans une conduite, le facteur de frottement de Fanning (coefficient de frottement cutané) est une conséquence de la loi de Poiseuille et il est donné par les équations suivantes:

Dans les écoulements turbulents , cependant, les choses sont plus difficiles, car le facteur de friction dépend fortement de la rugosité du tuyau . Le facteur de friction pour l’écoulement du fluide peut être déterminé à l’aide d’un diagramme de Moody . Par exemple:

La composante de friction de la force de traînée est donnée par:

Calcul du coefficient de friction cutanée

Le facteur de frottement pour un écoulement turbulent dépend fortement de la rugosité relative. Il est déterminé par l’équation de Colebrook ou peut être déterminé à l’aide du diagramme de Moody . Le graphique de Moody pour Re = 575 600 et ε / D = 5 x 10 ^-4 renvoie les valeurs suivantes:

• le facteur de friction de Darcy est égal à f _D = 0,017
• le facteur de friction Fanning est égal à f _F = f _D / 4 = 0,00425

Le coefficient de frottement cutané est donc égal à: