thumb|Ejemplo de capa límite laminar. Un flujo laminar horizontal uniforme es frenado al pasar sobre una superficie sólida (línea gruesa). El perfil de velocidad (u) del fluido dentro de la capa límite (área sombreada) depende de la distancia a la superficie (y). Debido al rozamiento, la velocidad del fluido en contacto con la placa es nula. Fuera de la capa límite, el fluido se desplaza prácticamente la misma velocidad que en las condiciones iniciales (u0). En mecánica de fluidos, la capa límite o capa fronteriza de un fluido es la zona donde el movimiento de este es perturbado por la presencia de un sólido con el que está en contacto por efecto de la viscosidad y la tensión cortante. La capa límite se entiende como aquella en la que la velocidad del fluido respecto al sólido en movimiento varía desde cero hasta el 99% de la velocidad de la corriente no perturbada.Capa límite. Área de Mecánica de Fluidos de la E. P. S. de Ingeniería de Gijón. Universidad de Oviedo. Consultado el 24 de abril de 2009.
La capa límite puede ser laminar o turbulenta; aunque también pueden coexistir en ella zonas de flujo laminar y de flujo turbulento. En ocasiones es de utilidad que la capa límite sea turbulenta. En aeronáutica aplicada a la aviación comercial, se suele optar por perfiles alares que generan una capa límite turbulenta, ya que esta permanece adherida al perfil a mayores ángulos de ataque que la capa límite laminar, evitando así que el perfil entre en pérdida, es decir, deje de generar sustentación aerodinámica de manera brusca por el desprendimiento de la capa límite, efecto también usado en las pelotas de golf por medio de sus poros para disminuir el arrastre evitando el desprendimiento de la capa límite. La ecuación de Bernoulli no puede predecir el arrastre aun cuando explica la sustentación, al ser una derivación sobre un fluido inviscido (no viscoso: por lo que no puede explicar el arrastre) e incompresible (densidad o volumen constante frente al cambio de presión: lo cual es necesario para producir sustentación) y de este problema surgió la teoría de capa límite para considerar la viscosidad conocida desde los tiempos del fluido newtoniano.
El espesor de la capa límite en la zona del borde de ataque o de llegada es pequeño, pero aumenta a lo largo de la superficie. Todas estas características varían en función de la forma del objeto (menor espesor de capa límite cuanta menor resistencia aerodinámica presente la superficie: ej. forma fusiforme de un perfil alar). Tipos de capa límite 343x343px|thumb|right|Visualización de la capa límite, mostrando la transición de la condición laminar a la turbulenta. Las capas límite laminares pueden clasificarse a grandes rasgos en función de su estructura y de las circunstancias en las que se crean. La fina capa de cizalladura que se desarrolla en un cuerpo oscilante es un ejemplo de capa límite de Stokes, mientras que la capa límite de Blasius se refiere a la conocida solución de similitud cerca de una placa plana sujeta sostenida en un flujo unidireccional en sentido contrario y a la capa límite de Falkner-Skan, una generalización del perfil de Blasius. Cuando un fluido gira y las fuerzas viscosas se equilibran por el efecto Coriolis (en lugar de la inercia convectiva), se forma una capa de Ekman. En la teoría de la transferencia de calor, se produce una capa límite térmica. Una superficie puede tener varios tipos de capa límite simultáneamente.
La naturaleza viscosa del flujo de aire reduce las velocidades locales en una superficie y es responsable de la fricción superficial. La capa de aire sobre la superficie del ala que es frenada o detenida por la viscosidad, es la capa límite. Existen dos tipos diferentes de flujo de capa límite: laminar y turbulento.
Flujo de capa límite laminar
El límite laminar es un flujo muy suave, mientras que la capa límite turbulenta contiene remolinos o "eddies". El flujo laminar crea menos resistencia por fricción superficial que el flujo turbulento, pero es menos estable. El flujo de la capa límite sobre la superficie de un ala comienza como un flujo laminar suave. A medida que el flujo retrocede desde el borde de ataque, el espesor de la capa límite laminar aumenta.
Flujo de capa límite turbulento
A cierta distancia del borde de ataque, el flujo laminar suave se rompe y pasa a ser turbulento. Desde el punto de vista de la resistencia aerodinámica, es aconsejable que la transición de flujo laminar a turbulento se produzca lo más atrás posible en el ala, o que una gran parte de la superficie del ala se encuentre dentro de la porción laminar de la capa límite. Sin embargo, el flujo laminar de baja energía tiende a romperse más repentinamente que la capa turbulenta.
Concepto de capa límite de Prandtl thumb|Ludwig Prandtl|289x289px thumb|322x322px|Laminar boundary layer velocity profile La capa límite Aerodinámica fue planteada por primera vez por Ludwig Prandtl en un artículo presentado el 12 de agosto de 1904 en el tercer Congreso Internacional de Matemáticos en Heidelberg, Alemania. Simplifica las ecuaciones del flujo de fluidos dividiendo el campo de flujo en dos zonas: una dentro de la capa límite, dominada por la viscosidad y creadora de la mayor parte de la resistencia experimentada por el cuerpo límite; y otra fuera de la capa límite, donde la viscosidad puede despreciarse sin efectos significativos en la solución. Esto permite una solución de forma cerrada para el flujo en ambas zonas haciendo simplificaciones significativas de las ecuaciones de Navier-Stokes completas. La misma hipótesis es aplicable a otros fluidos (además del aire) de viscosidad moderada a baja, como el agua. En el caso de que exista una diferencia de temperatura entre la superficie y el fluido, se observa que la mayor parte de la transferencia de calor hacia y desde un cuerpo tiene lugar en las proximidades de la capa límite de velocidad. De nuevo, esto permite simplificar las ecuaciones en el campo de flujo fuera de la capa límite. La distribución de la presión a lo largo de la capa límite en la dirección normal a la superficie (como un perfil aerodinámico) permanece relativamente constante a lo largo de la capa límite, y es la misma que en la propia superficie.
El espesor de la capa límite de velocidad se define normalmente como la distancia desde el cuerpo sólido hasta el punto en el que la velocidad del flujo viscoso es el 99% de la velocidad de la corriente libre (la velocidad superficial de un flujo no viscoso). El espesor de desplazamiento es una definición alternativa que establece que la capa límite representa un déficit en el flujo de masa en comparación con el flujo no viscoso con deslizamiento en la pared. Es la distancia que debería desplazarse la pared en el caso no viscoso para obtener el mismo flujo de masa total que en el caso viscoso. La condición de no deslizamiento requiere que la velocidad del flujo en la superficie de un objeto sólido sea cero y que la temperatura del fluido sea igual a la temperatura de la superficie. La velocidad del flujo aumentará entonces rápidamente dentro de la capa límite, gobernada por las ecuaciones de la capa límite, abajo.
El espesor de la capa límite térmica es la distancia desde el cuerpo a la que la temperatura es el 99% de la temperatura de la corriente libre. La relación entre los dos espesores se rige por el número de Prandtl. Si el número de Prandtl es 1, las dos capas límite tienen el mismo espesor. Si el número de Prandtl es mayor que 1, la capa límite térmica es más fina que la capa límite de velocidad. Si el número de Prandtl es inferior a 1, que es el caso del aire en condiciones estándar, la capa límite térmica es más gruesa que la capa límite de velocidad.
En los diseños de alto rendimiento, como los planeadores y los aviones comerciales, se presta mucha atención al control del comportamiento de la capa límite para minimizar la resistencia. Hay que tener en cuenta dos efectos. En primer lugar, la capa límite aumenta el espesor efectivo del cuerpo, a través del espesor de desplazamiento, incrementando así la resistencia a la presión. En segundo lugar, las fuerzas de cizalladura en la superficie del ala crean resistencia por fricción superficial.
A altos números de Reynolds, típicos de los aviones de gran tamaño, es deseable tener una capa límite de laminar. Esto da lugar a una menor fricción superficial debido al perfil de velocidad característico del flujo laminar. Sin embargo, la capa límite inevitablemente se espesa y se vuelve menos estable a medida que el flujo se desarrolla a lo largo del cuerpo, y finalmente se vuelve turbulento, proceso conocido como transición de la capa límite. Una forma de solucionar este problema es aspirar la capa límite a través de una superficie porosa (véase Succión de la capa límite). Esto puede reducir la resistencia, pero suele ser poco práctico debido a su complejidad mecánica y a la energía necesaria para mover el aire y eliminarlo. Las técnicas de flujo laminar natural (NLF) empujan la transición de la capa límite hacia la popa remodelando el perfil aerodinámico o el fuselaje para que su punto más grueso esté más a popa y sea menos grueso. De este modo se reducen las velocidades en la parte delantera y se consigue el mismo número de Reynolds con una mayor longitud.
Con números de Reynolds bajos, como los que se observan en los aviones de aeromodelismo, es relativamente fácil mantener un flujo laminar. Esto da lugar a una baja fricción superficial, lo cual es deseable. Sin embargo, el mismo perfil de velocidad que da a la capa límite laminar su baja fricción superficial también hace que se vea muy afectada por gradientes de presión adversos. Cuando la presión comienza a recuperarse en la parte posterior de la cuerda del ala, la capa límite laminar tenderá a separarse de la superficie. Dicha separación de flujo provoca un gran aumento de la resistencia a la presión, ya que incrementa en gran medida el tamaño efectivo de la sección alar. En estos casos, puede ser ventajoso provocar deliberadamente la turbulencia de la capa límite en un punto anterior al de la separación laminar, utilizando un turbulador. El perfil de velocidad más completo de la capa límite turbulenta le permite mantener el gradiente de presión adverso sin separarse. Así, aunque aumenta la fricción superficial, disminuye la resistencia global. Éste es el principio en el que se basan los hoyuelos de las pelotas de golf y los generadores de vórtices de los aviones. También se han diseñado secciones de ala especiales que adaptan la recuperación de presión para reducir o incluso eliminar la separación laminar. Esto representa un compromiso óptimo entre la resistencia a la presión de la separación del flujo y la fricción superficial de la turbulencia inducida.
Cuando se utilizan semimodelos en túneles de viento, a veces se utiliza un peniche para reducir o eliminar el efecto de la capa límite.
Ecuaciones de la capa límite La deducción de las ecuaciones de la capa límite fue uno de los avances más importantes en la dinámica de fluidos. Utilizando un análisis de orden de magnitud, las conocidas ecuaciones de Navier-Stokes que gobiernan el flujo viscoso de fluidos pueden simplificarse en gran medida dentro de la capa límite. [pueden simplificarse en gran medida dentro de la capa límite. En particular, el característica de la Ecuaciones diferenciales parciales (EDP) se convierte en parabólica, en lugar de la forma elíptica de las ecuaciones de Navier-Stokes completas. Esto simplifica enormemente la solución de las ecuaciones. Al hacer la aproximación de la capa límite, el flujo se divide en una parte no viscosa (que es fácil de resolver por varios métodos) y la capa límite, que se rige por una EDP más fácil de resolver. Las ecuaciones de continuidad y de Navier-Stokes para un flujo incompresible bidimensional constante en coordenadas cartesianas vienen dadas por