解密流动分离现象，预测分离是流体优化的核心

二、流动分离的原因

流动分离只发生在壁面附近的减速流动中。主流中的流体减速是由压差力造成的，边界层内的流体则还受到黏性力的作用。由于越靠近壁面剪切变形越大，所以边界层内流体微团的下表面黏性力要大于上表面，黏性力的合力与流动方向相反。因此，边界层内的流体比主流减速程度大。主流减速到某种程度时，边界层内的流体已经减速到零。此时黏性阻力消失了，但压差阻力还在，已经静止的流体还受到反向作用力，就会在下游发生倒流，于是就发生了分离。

在匀速或者加速流动中是不会发生分离的。因为虽然壁面黏性力会使流体减速，但这是一种摩擦力。摩擦力最多能使运动的物体停下来，而不可能使物体反向运动。单纯的黏性力永远都不会使流动停下来，因为流速越低黏性力也越小，当没有压差力参与时，边界层内的流速只会在远下游无限趋近于零。

三、分离区中的流动

一旦发生了流动分离，分离点下游就会产生低速区，这个低速区称为分离区。分离区的流速总是混乱的，通常会存在旋涡流动，可能是层流的，也可能是湍流的。由于流动混乱而产生剪切流动，带来流动损失，即流体的动能转化为热能。不过，总体上分离区内的流速是比较小的，可以认为接近于死水区。如果忽略重力影响，在静止的流体中压力处处相等，所以分离区内的压力大致都相同，等于分离点的压力。有一种误解，认为整个流场中分离区的压力是最低的。实际上，流体是从压力最低点开始减速增压才发生的分离，分离点的压力必然不是最低的，分离区的压力也就不是最低的。分离区的特点是流速和压力都较低，黏性作用不可忽略，不能用伯努利定律来分析这里的流动。

四、抑制流动

流动分离带来的害处很多，抑制分离的发生是工程师们永恒的追求。这方面的研究仍然属于流体力学的前沿问题。较为成熟的控制分离的方法有：控制主流的减速方式，用吹气或吸气消除边界层，把层流边界层变成湍流边界层等。

另外，有时候要故意扩大流动分离来增加阻力或者损失，这通常比抑制分离要容易得多。用突变的壁面形状来产生分离是很容易的，如降落伞、飞机的减速板、阀门内部的形状等都是为了产生分离而设计的。

五、丝线法显示分离

把丝线或羊毛等粘贴在要观察的模型表面，根据细丝随气流的摆动可以清楚地看出气流沿表面的流动方向，这种方法称为丝线法。丝线法是一种古老而又非常有效的实验方法，在现代流体力学实验中仍然发挥着重要的作用。它的实现非常简单，我们在家里就可以做。

所需物品和材料：

细的棉线/ 蚕丝线/ 羊毛/ 细尼龙丝（越柔软越好）、窄的透明胶带、电风扇、足球、排球或实心球。

实现方法：

1. 丝线剪成长2~4 cm 的小段，用透明胶带粘在洗干净的球表面（推荐如图的粘法），粘住0.5 cm 左右，自由端长>1.5 cm，原则是让自由端可以随风摆动。

2. 电风扇开强风挡对着球吹风（顺丝线方向），可以看到球前部的丝线还都是顺着流向的，而越过90°的位置后，会有一些丝线方向朝前，表明发生了倒流，这就是流动分离了。

小贴士：

越柔软的丝线越好，丝线的长度根据丝线的柔软程度、风速、球的尺寸和丝线的排列等综合考虑。原因是让丝线可以自由随气流摆动，且不互相干涉。

六、写在后面

一般学习流体力学的时候，老师都会让学生记住流动分离有两个必要条件：黏性和逆压。所谓必要条件，就是这两个条件必须都具备，流动才有可能分离。本文在第2节已经解释了为什么必须有这两个必要条件。

但很多人更想知道的是流动分离的充分条件，也就是说什么条件下就会发生流动分离了。这个问题就很难了。如果流动是层流的，且壁面曲率很小，还大概有理论能得出分离点的位置。如果流动是湍流的，就没有简单的理论来得出分离点的位置了。需要解边界层方程，或者三维粘性的N-S方程，也就是用边界层方法或者数值模拟的办法。但目前并不存在一种完全准确的方法来预测分离点，这还是工程上的一个难题。

另外，经典的边界层分离理论是针对二维流动的，而实际的流动都是三维的。比如空气绕过飞机、汽车或者楼房的流动都会有很多分离区。三维流动中的分离要复杂一些，不一定会有回流，可能只是横向流动，也称为分离。