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流体动力学的迷思：你知道流动分离如何影响机械效率吗？
在流体动力学中，流动分离或边界层分离是指边界层从表面脱离，进入一个尾流区。当流体与固体表面之间存在相对运动，而在表面附近的流体层中存在粘性力时，边界层便会形成。这种流动可以是外部流动，例如围绕物体的流动，或是内部流动，例如在封闭通道中的流动。边界层可以是层流或湍流，通过计算当地流动条件的雷诺数，可以合理判断边界层将是层流还是湍流。当流动速度减慢而压力上升，通过厚度最大的流线体或通过扩大的通道时，便会发生分离。
流动逆向是由于边界层受到外围潜在流动施加的逆压梯度所引起的。
在不利的压力梯度下，边界层将分离，当其在不利压力梯度中行进至足够的距离时，相对于表面的边界层速度将停止并反向。此时，流动便与表面脱离，并呈现为涡流和漩涡的形式。一旦流动分离，流体在表面上施加的压力将保持不变，而不是持续增加。流动分离的后果在气动力学中会导致升力的减少以及由物体前后表面之间的压力差产生的阻力增大。
此外，内部通道中的分离会导致机械叶片的失速和振动，并在进气口和压缩机中造成更大的能量损失，从而降低效率。
许多努力和研究已经投入到气动和水动表面轮廓的设计中，以延迟流动分离，并保持流动尽可能长时间地附着在表面上。
例如，网球的毛绒、足球的凹槽、滑翔机上的湍流器等，都是诱导流动提前转换为湍流的设计，另外还有用于飞机的涡流发生器。这些特征的目的在于改善流动行为，减少流动分离的影响。
不利的压力梯度
流动反转的主要原因是外部潜在流动对边界层施加的不利压力梯度。当边界层中遇到这种不利的压力梯度时，流动速度会随着距离的增加而降低，乃至可能降至零。
影响分离的参数
边界层分离的倾向主要取决于表面上不利或负边缘速度梯度的分布。这种速度梯度的分布与压力及其梯度的关系密切相关。需要强调的是，湍流的边界层对于分离的抵抗能力明显高于层流，后者往往对于相同的逆压梯度更为敏感。
对于给定的不利速度梯度分布，湍流边界层的分离抵抗随着雷诺数的增大而略有增加。
然而，层流边界层的分离抵抗则不受雷诺数的影响，这是一个相当反直觉的现象。
内部分离的影响
在内部流动中，边界层分离常常是由于管道或通道的迅速扩张，导致流动的压力梯度不断上升，进而造成长时间的分离流场。随着流动继续向下游推进，分离的影响终将逐渐减小，最终达到一种稳态。
边界层分离的效果
当边界层分离时，其剩余部分形成剪切层，并且存在一个被剪切层和表面之间的分离流区，这会改变外部的潜在流动和压力场。对于气动翼来说，压力场的修改会导致压力阻力的增加，而若分离现象极其严重，则会产生失速和升力损失。
这些现象都是设计中最不希望出现的情况，因为它们会显著降低整体性能和效率。
在内部流动中，流动分离会导致流动损失的增加以及压缩机骤流现象的发生，这些都是不理想的状况。另一个分离的影响是规律性的涡流生成，这种现象被称为卡门涡街。此类涡流的产生使得结构上可能出现交变的力，进而导致振动。
如果这些脉动的频率与结构的共振频率重合，将可能导致结构的损坏。这些振动的频率和幅度会因不同的来源而发生变化，因此极有可能导致共振的增强或减弱。
随着流体动力学的研究不断深入，我们或许能够找到更有效的方式来控制和管理流动分离的挑战，这不仅关乎工程的设计，也可能影响到我们日常生活中的各种机械装置。你是否思考过，这些流动行为的改变会如何影响我们未来的设计理念呢？
