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流體動力學的迷思：你知道流動分離如何影響機械效率嗎？
在流體動力學中，流動分離或邊界層分離是指邊界層從表面脫離，進入一個尾流區。當流體與固體表面之間存在相對運動，而在表面附近的流體層中存在粘性力時，邊界層便會形成。這種流動可以是外部流動，例如圍繞物體的流動，或是內部流動，例如在封閉通道中的流動。邊界層可以是層流或湍流，通過計算當地流動條件的雷諾數，可以合理判斷邊界層將是層流還是湍流。當流動速度減慢而壓力上升，通過厚度最大的流線體或通過擴大的通道時，便會發生分離。
流動逆向是由於邊界層受到外圍潛在流動施加的逆壓梯度所引起的。
在不利的壓力梯度下，邊界層將分離，當其在不利壓力梯度中行進至足夠的距離時，相對於表面的邊界層速度將停止並反向。此時，流動便與表面脫離，並呈現為渦流和漩渦的形式。一旦流動分離，流體在表面上施加的壓力將保持不變，而不是持續增加。流動分離的後果在氣動力學中會導致升力的減少以及由物體前後表面之間的壓力差產生的阻力增大。
此外，內部通道中的分離會導致機械葉片的失速和振動，並在進氣口和壓縮機中造成更大的能量損失，從而降低效率。
許多努力和研究已經投入到氣動和水動表面輪廓的設計中，以延遲流動分離，並保持流動儘可能長時間地附著在表面上。
例如，網球的毛絨、足球的凹槽、滑翔機上的湍流器等，都是誘導流動提前轉換為湍流的設計，另外還有用於飛機的渦流發生器。這些特徵的目的在於改善流動行為，減少流動分離的影響。
不利的壓力梯度
流動反轉的主要原因是外部潛在流動對邊界層施加的不利壓力梯度。當邊界層中遇到這種不利的壓力梯度時，流動速度會隨著距離的增加而降低，乃至可能降至零。
影響分離的參數
邊界層分離的傾向主要取決於表面上不利或負邊緣速度梯度的分佈。這種速度梯度的分佈與壓力及其梯度的關係密切相關。需要強調的是，湍流的邊界層對於分離的抵抗能力明顯高於層流，後者往往對於相同的逆壓梯度更為敏感。
對於給定的不利速度梯度分佈，湍流邊界層的分離抵抗隨著雷諾數的增大而略有增加。
然而，層流邊界層的分離抵抗則不受雷諾數的影響，這是一個相當反直覺的現象。
內部分離的影響
在內部流動中，邊界層分離常常是由於管道或通道的迅速擴張，導致流動的壓力梯度不斷上升，進而造成長時間的分離流場。隨著流動繼續向下游推進，分離的影響終將逐漸減小，最終達到一種穩態。
邊界層分離的效果
當邊界層分離時，其剩餘部分形成剪切層，並且存在一個被剪切層和表面之間的分離流區，這會改變外部的潛在流動和壓力場。對於氣動翼來說，壓力場的修改會導致壓力阻力的增加，而若分離現象極其嚴重，則會產生失速和升力損失。
這些現象都是設計中最不希望出現的情況，因為它們會顯著降低整體性能和效率。
在內部流動中，流動分離會導致流動損失的增加以及壓縮機驟流現象的發生，這些都是不理想的狀況。另一個分離的影響是規律性的渦流生成，這種現象被稱為卡門渦街。此類渦流的產生使得結構上可能出現交變的力，進而導致振動。
如果這些脈動的頻率與結構的共振頻率重合，將可能導致結構的損壞。這些振動的頻率和幅度會因不同的來源而發生變化，因此極有可能導致共振的增強或減弱。
隨著流體動力學的研究不斷深入，我們或許能夠找到更有效的方式來控制和管理流動分離的挑戰，這不僅關乎工程的設計，也可能影響到我們日常生活中的各種機械裝置。你是否思考過，這些流動行為的改變會如何影響我們未來的設計理念呢？
