分不清流动分离和湍流？解析『流体分离』现象 | 流体力学
没学流体力学的时候，我以为流体绕圆柱流动是左边那样的。实际上，常见的流动是右边那样的，流线在后面会离开圆柱表面，这就是流动分离。
流动分离，也叫边界层分离，指的是壁面附近的流体在壁面摩擦力和逆向压差力的双重作用下越流越慢，直到停止并发生倒流或横向流动，从而使主流被排挤远离壁面的现象。流动分离对于流动阻力和流动损失的影响巨大，所以是工程技术人员处理最多的流动现象之一。
流动分离，也被称为边界层分离，描述的是流体在壁面摩擦力和逆向压差力的双重共同影响下，流速逐渐减缓，直至停止或发生倒流，导致主流被排挤并远离壁面的现象。
由于边界层通常很薄，受壁面减速的流体较少，因此黏性的影响也不显著。然而，一旦发生分离，大量流体被卷入分离区，流动阻力和流动损失会大幅增加。流动分离是流体力学中的核心现象，也是工程设计中的关键因素。尽管理论规律并不完全符合实际情况，我们仍需依赖实验和计算机模拟来理解这一问题。流体力学工程师的主要工作是处理与流动分离相关的问题。 
流动分离主要发生在壁面附近的减速流动中。在主流中，流体的减速主要是由压差力引起的。而在边界层内，除了压差力外，黏性力也起到了重要作用。由于靠近壁面的流体的剪切变形较大，导致边界层内流体微团的下表面黏性力大于上表面。这种黏性力的合力与流动方向相反，导致边界层内的流体减速程度远大于主流。 当主流减速到一定程度时，边界层内的流体已经减速到零。此时，虽然黏性阻力消失，但由于压差阻力的存在，已经静止的流体还会受到反向作用力。这导致流体在下游发生倒流，从而发生流动分离。 在匀速或加速流动中，不会发生流动分离。这是因为，虽然壁面的黏性力会导致流体减速，但这种摩擦力仅能使运动的流体逐渐减慢，而不会使其反向运动。仅靠黏性力本身永远不会使流动完全停止。事实上，随着流速的降低，黏性力也会减小。在没有压差力参与的情况下，边界层内的流速仅会在下游无限趋近于零，但永远不会真正达到零。 
一旦流动发生分离，分离点下游会形成一个低速区域，即所谓的分离区。这个区域的流速通常是混乱的，可能包含层流或湍流中的旋涡流动。由于流体的混乱运动，剪切流动会产生，导致流动损失，即流体的动能转化为热能。值得注意的是，尽管存在这些损失，分离区内的流速通常较小，类似于“死水区”。
如果不考虑重力影响，在静止的流体中，压力是处处相等的。因此，分离区内的压力大致相同，等于分离点的压力。需要指出的是，有一种误解认为分离区的压力在整个流场中是最低的。实际上，流体是在从压力最低点开始减速并增加压力的过程中发生分离的，这意味着分离点的压力并不是最低的，因此分离区的压力也不是最低的。 
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。
通过将丝线或羊毛等细丝粘贴在要观察的模型表面，根据细丝随风摆动的方向，可以清晰地识别出气流沿表面的流动方向。这种方法被称为丝线法。丝线法是一种既古老又高效的实验方法，即使在现代流体力学实验中，它仍然发挥着不可或缺的作用。而且，它的操作非常简单，甚至在家里就可以进行。 细的棉线/ 蚕丝线/ 羊毛/ 细尼龙丝（柔软为佳）、透明胶带（窄）、电风扇、足球、实心球或者排球。 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。 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。原则是让丝线可以自由随气流摆动，且不互相干涉。 
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。 
