边界层分离现象
边界层分离
如前所述，当不可压缩黏性流体纵向流过平板时，在边界层 外边界上沿平板方向的速度是相同的，而且整个流场和边界层内 的压强都保持不变。当黏性流体流经曲面物体时，边界层外边界 上沿曲面方向的速度是改变的，所以曲面边界层内的压强也将同 样发生变化，对边界层内的流动将产生影响。曲面边界层的计算
外部流动
尾迹 外部流动 边界层
外部流动
尾迹
外部流动 边界层 （a）流线形物体；（b）非流线形物体 图5-4 曲面边界层分离现象示意图
一、边界层的分离
1、从D到E流动加速，为顺压梯度区；
流体压能向动能转变，不发生边界层分离 2、从E到F流动减速, 为逆压梯度区； E到F段动能只存在损耗，速度减小很快 3、在S点处出现粘滞 ，由于压力的升高产生
fd Sr V
（5-12）
根据罗斯柯（A．Roshko）1954年的实验结果，当 Re大于1000 时，斯特劳哈数 Sr 近似地等于常数，即Sr =0.21。 根据卡门涡街的上述性质，可以制成卡门涡街流量计
测定卡门涡街脱落频率的方法有热敏电阻丝法、超音波束法等
3.分离的条件 — 逆压梯度 4.分离的实际发生 — 微团滞止和倒流
2.分离实例
从静止开始边界层发展情况
扩张管
（上壁有抽吸）
2.分离实例
2.分离实例
二、卡 门 涡 街
圆柱绕流问题：随着雷诺数的增大边界层首先出现分离，分 离点并不断的前移，当雷诺数大到一定程度时，会形成两列几乎 稳定的、非对称性的、交替脱落的、旋转方向相反的旋涡，并随 主流向下游运动，这就是卡门涡街 卡门对涡街进行运动分析得出了阻力、涡释放频率以及斯特 罗哈数的经验公式
边界层分离
C4.6 压强梯度的影响：边界层分离边界层分离又称为流动分离，是指原来紧贴壁面流动的边界层脱离壁面的现象。
边界层脱离壁面后的空间通常由后部的倒流流体来填充，形成涡旋，因此发生边界层分离的部位一般有涡旋形成。
当流体绕曲壁流动时最容易发生这种现象，图C4.6.1为典型的例子，在圆柱后部发生的流动分离形成一对涡旋，称为猫眼。
下面以具有顺压和逆压梯度的曲壁边界层流动为例说明边界层分离的原因和特点。
(图C4.6.1) 1．分离的物理原因正如C4.3所述，外流的压强可透过边界层，直接作用到壁面上。
在顺压梯度区（图C4.6.2中BC段）壁面附近的流体元将受到压力的推动前进；在零压强梯度区(C点)流体微团靠自身的动能克服粘性阻力前进;在逆压梯度区(CE段)流体元受到逆压和粘性力双重阻力逐渐减速，至S点时动能耗尽，速度为零。
在后部(SE段)倒流的流体挤压下，脱离壁面流向内部。
S点称为分离点，SE称为脱体区。
（用氢气泡技术演示圆柱绕流分离点和分离区）2．速度廓线特点普朗特边界层方程(C4.3.2)式为(C4.3.2) 在壁面上u = 0, v = 0, 由上式可得(C4.6.1)上式表明在壁面上速度廓线的二阶导数与方向的压强梯度符号相同。
如图C4.6.2所示，在顺压梯度区BC段< 0，由函数微分性质知速度廓线外凸；在压强极小值点C处，= 0，C点为拐点；在逆压梯度区CE段，>0，速度廓线内凹，且沿流动方向曲率逐渐增大，拐点上升，至S点，= 0，速度廓线与y轴方向相切；过S点后速度廓线继续内凹，速度变为负值，出现倒流。
SS’线称为间断面，SS’线后为分离区（图C4.6.2）。
(图C4.6.2)由上述分析可知，边界层分离的根本原因是粘性的存在（无粘性没有分离现象），分离的条件是逆压梯度的存在，分离的实际发生则是由流体元的滞止和倒流引起的。
[思考题C4.6.1]3．流动分离实例凡是存在逆压强梯度条件的边界层流动都可能发生分离，凸曲面绕流的背风面是典型的发生分离部位。
产生边界层分离的原因
边界层分离是指在流体中，沿着物体表面的边界层由于各种流动因素而分离出来。
边界层分离的主要原因可以归结为以下几点：
1.不稳定的流动：当流体经过物体表面时，流动可能变得不稳定。
这种不稳定性可能是由
于速度梯度、压力变化或其他外部扰动引起的。
流动不稳定会导致边界层的剪切力增大，从而使边界层与物体表面分离。
2.惯性力的作用：当流体沿着物体表面流动时，惯性力可能对边界层产生影响。
如果惯性
力超过了粘性力，边界层可能无法保持紧贴物体表面，而发生分离。
3.压力梯度：存在较大的压力梯度时，边界层可能会受到推离物体表面的力，导致分离。
例如，在曲率处或物体后方的低压区域，边界层可能会分离。
4.粘性效应：粘性力是维持边界层与物体表面附着的关键因素。
如果粘性力无法克服其他
力的作用，如压力梯度或惯性力，那么边界层可能会分离。
5.湍流效应：当流动变得湍流时，湍流涡旋可能会对边界层产生剪切力。
如果湍流强烈到
足以克服粘性力，那么边界层可能会发生分离。
边界层分离在流体力学和工程中都是重要的现象，特别是在空气动力学和水动力学中。
了解边界层分离的原因可以帮助我们更好地理解流体行为，并在设计和优化物体表面形状、减少阻力或增加升力等方面提供指导。
边界层分离的两个条件
边界层分离那点事儿：俩关键条件得知道咱们今天来聊聊一个听起来有点高大上，但其实挺有意思的物理现象——边界层分离。
这事儿啊，跟咱们日常生活中的很多事儿都息息相关，比如飞机为啥能飞、汽车为啥能在路上稳稳地跑，都跟它脱不了干系。
首先，咱们得明白啥是边界层。
想象一下，当你把手伸进水里快速移动时，是不是会感觉到水好像在你手上形成了一层薄薄的膜？这层膜就是边界层，它是流体（比如空气、水）在物体表面附近，由于粘性作用而减速形成的一个薄层。
那么，边界层分离又是咋回事呢？简单来说，就是当流体在物体表面流动时，如果某些条件不满足，这层薄薄的边界层就会突然“罢工”，不再紧贴物体表面流动，而是开始和物体表面分离开来。
这一分离，可就会引起大问题了，比如飞机的升力减少、汽车的阻力增大等等。
那么，边界层分离到底需要哪两个关键条件呢？第一个条件，就是流体速度得够快。
你想啊，如果流体慢悠悠地流，那它跟物体表面的接触时间就长，粘性作用就能多“挽留”它一会儿。
但要是流体速度飞快，那它跟物体表面接触的时间就短了，粘性作用还没来得及发挥作用，流体就急着往前冲了，这时候就容易发生边界层分离。
第二个条件，就是物体表面的形状得“不友好”。
这里的“不友好”，不是说真的对流体不友好，而是说形状设计得不够合理，导致流体在流过时容易“磕磕绊绊”。
比如，一个物体的表面突然变窄了，或者出现了一个陡峭的拐角，这些都会让流体在流经这些地方时速度突然增加，压力突然降低，从而更容易发生边界层分离。
所以啊，要想避免边界层分离带来的麻烦，咱们就得在设计飞机、汽车等交通工具时，注意控制流体的速度，别让它太快；同时，还得优化物体的表面形状，让它更“友好”地对待流体。
这样一来，边界层就能乖乖地贴在物体表面流动了，咱们的生活也就更加顺畅啦！。
边界层分离发生机理
1、边界层分离发生机理当黏性流体流过物体的时候，由于流体本身的黏性，靠近物体表面的流体的速度为零，而离开物体表面一定距离的流体的速度则不受黏性影响，此处的流动可以按照无黏度来处理。
在物面和可以按无黏度处理的流体之间的这一部分流体就是边界层。
边界层是一个薄层，它紧靠物面，沿物面法线方向存在着切向速度的梯度，并因此而产生了黏性应力。
黏性应力对边界层的流体来说是阻力，与流体整体流动方向相反。
在流场的任意一点处，流速愈小，流体压力愈大，且压力穿过边界层不变。
边界层流动从物体表面脱离的现象。
边界层分离有两种情况，一是发生在光滑物面上，另一是发生在物面有尖角或其他外形中断或不连续处。
当流体处于光滑界面上时，起始阶段随着流道截面积逐渐减小，流速逐渐增大，压力逐渐减小，压力变小，即处于顺压区，压力梯度推动流体克服黏性力的作用向前流动。
当流体通过顺压阶段后，流道截面积逐渐增大，流速逐渐减小，压力逐渐增大，此时处于逆压区。
即需要将动能转变为压力能，以便克服前方压力以及粘性阻力而运动。
此时，边界层内法向速度梯度随之下降。
当壁面法向速度梯度在某位置上减小到零时，即该部分流体速度为零。
流体停留下来的点称为停滞点，该点处于高压，但由于流体的不可压缩性，后继流体无法接近停滞点，被迫脱离壁面和原来的流向向下游流去，该点也就是分离点。
分离后的边界层在下游形成较大的旋涡区；但也可能在下游某处又回附到物面上，形成局部回流区或气泡。
尖点处发生边界层分离的原因在于附近的外流流速很大，压强很小，因而向下游必有很大的逆压梯度，在其作用下，边界层即从尖点处发生分离。
2、理想流体能否发生分离理想流体是不可压缩的，没有黏性力的流体。
理想流体在现实中并不存在，是为人为设置的一种理想模型。
由于理想流体本身不具有黏性，在物体壁面流动时不会产生黏性力，也就没有边界层，也就无从谈起边界层分离。
理想流体流经圆柱体时，同黏性流体一样，存在停滞点，但在停滞点前后的流动状态完全对称，压力在停滞点前后的流动完全对称，流体对柱体未产生任何曳力，没有边界层分离。
2.8.2边界层分离
像圆柱这样具有凸形的物体所产生的阻力都主要来 自自由压差所引起的形体阻力，只有在低Re下才考 虑摩擦阻力。
物体表面为流线型或平壁时，总阻力则以摩擦阻力 为主，形体阻力反而可以忽略不计。
不同形状物体表面上的边界层特征各不相同。
对于平壁板面，其边界层以外的流动是均匀的， 无速度梯度，也无压力梯度的。其边界层内压力在垂 直于流动方向上的变化可以忽略，所以，在同一x距离 处，边界层内外的压力均相同。
若在流动方向上的通道截面积发生变化（收缩或 者扩张），则边界层外的速度和压力沿流动方向均会 发生变化，它将对边界层内的流动有显著影响。正是 由于边界层内的压力沿流动方向的急剧变化，引起了 边界层分离这一重要现象。
2.8.2.2边界层分离条件
如上所诉，在边界层分离点前流线图形与理想流体基本相 似，而分离点后则发生了实质性的改变。相应的压力分布也发 生了很大变化，它转而又影响到产生边界层分离的条件。
最终分离点的位置将取决于最终的压力分布和速度分布， 而不是取决于最初的流线图形。
如图2-29，在分离点P处，速度分布曲线在壁面处的切线正 好与壁面垂直。
边界层分离（Boundary Layer Separation）
在某些情况下，边界层内流体发成倒流，引起边界层与 固定壁面的分离，并同时产生涡旋的现象。
边界层分离是造成流体能量损失的主要原因之一。
2.8.2.1 边界层分离的形成过程
理想流体流经无限长圆柱体
因流体无黏性，其在整个流场均无能 量损失，在圆柱四周的压力分布和速度分 布完全对称
边界层分离
通常将上述边界层脱离壁面的现象称为——边界层分离。 点P称为分离点——紧靠边壁的边界层中顺流和倒流之间的
边界层分离
外部流动
外部流动
边界层
尾迹
外部流动
尾迹
边界层
外部流动
（a）流线形物体；（b）非流线形物体 图5-4 曲面边界层分离现象示意图
一、边界层的分离
1、从D到E流动加速，为顺压梯度区； 流体压能向动能转变，不发生边界层分离 2、从E到F流动减速, 为逆压梯度区； E到F段动能只存在损耗，速度减小很快 3、在S点处出现粘滞 ，由于压力的升高产生 回流导致边界层分离，并形成尾涡。
2.分离实例
从静止开始边界层发展情况
扩张管 （上壁有抽吸）
2.分离实例
2.分离实例
二、卡 门 涡 街
圆柱绕流问题：随着雷诺数的增大边界层首先定程度时，会形成两列几乎 稳定的、非对称性的、交替脱落的、旋转方向相反的旋涡，并随 主流向下游运动，这就是卡门涡街 卡门对涡街进行运动分析得出了阻力、涡释放频率以及斯特 罗哈数的经验公式 卡门涡街会产生共振，危害很大；也可应用于流量测量。
fd Sr
V
（5-12）
根据罗斯柯（A．Roshko）1954年的实验结果，当 Re 大于1000 时，斯特劳哈数Sr 近似地等于常数，即Sr =0.21。
根据卡门涡街的上述性质，可以制成卡门涡街流量计 测定卡门涡街脱落频率的方法有热敏电阻丝法、超音波束法等
第三节 曲面边界层分离现象 卡门涡街
如前所述，当不可压缩黏性流体纵向流过平板时，在边界层 外边界上沿平板方向的速度是相同的，而且整个流场和边界层内 的压强都保持不变。当黏性流体流经曲面物体时，边界层外边界 上沿曲面方向的速度是改变的，所以曲面边界层内的压强也将同 样发生变化，对边界层内的流动将产生影响。曲面边界层的计算 是很复杂的，这里不准备讨论它。这一节将着重说明曲面边界层 的分离现象。
边界层分离现象的后果
边界层分离现象的后果
边界层分离现象是一种常见的流体动力学现象，当流体流经固体表面时，边界层会因为流体的粘性和惯性而形成。
然而，当流体的流动条件或物性发生变化时，边界层可能会从固体表面分离，导致一系列严重的后果。
首先，边界层分离现象会增大流体的阻力，使得流体对固体表面的压力增大，从而可能导致结构的疲劳和损伤。
这种压力作用在航空航天领域尤为明显，因为航空航天器在高速飞行时会受到极大的阻力，如果边界层分离现象得不到有效的控制，将会对航空航天器的结构和性能产生不利影响。
其次，边界层分离现象会影响流体的流动特性，使得流体在分离区和再附区形成涡旋和湍流，这将进一步增大流体的阻力和能量损失。
这种能量损失不仅会降低流体传输效率，还会增加流体机械的振动和噪声，对人们的生产和生活产生不利影响。
此外，边界层分离现象还会导致流体中的物性变化，如温度和浓度变化，这将进一步影响流体的流动特性和物性。
例如，当流体流经冷表面时，边界层中的温度会降低，使得流体的粘性和密度增加，从而可能导致边界层分离现象的发生。
综上所述，边界层分离现象是一种重要的流体动力学现象，它不仅会影响流体的流动特性和物性，还会对结构和设备的性能产生不利影响。
因此，在设计和应用过程中，应该充分考虑边界层分离现象的影响，采取有效的控制措施，以避免其带来的不利后果。
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边界层分离现象 Prepared on 22 November 2020
当流体流过物体的时候，由于流体本身的粘性，靠近物体表面的流体的速度为零，而离开物体表面一定距离的流体的速度则不受粘性影响，此处的流动可以按照无粘来处理。
在物面和可以按无粘处理的流体之间的这一部分流体就是。
分离概念
边界层是一个薄层，它紧靠物面，沿壁面法线方向存在着很大的和旋度的流动区域。
粘性应力对边界层的流体来说是阻力，所以随着流体沿物面向后流动，边界层内的流体会逐渐减速，增压。
由于流体流动的连续性，边界层会变厚以在同一时间内流过更多的低速流体。
因此边界层内存在着正压梯度，流动在正压梯度作用下，会进一步减速，最后整个边界层内的流体的动能都不足以长久的维持流动一直向下游进行，以致在物体表面某处其速度会与的速度方向相反，即产生逆流。
该逆流会把边界层向势流中排挤，造成边界层变厚或分离。
边界层分离之后，它将从紧靠物面的地方抬起进入主流，与主流发生参混。
结果
是整个参混区域的压力趋于一致。
由上面的原理我们可以知道，边界层要分离必须满足两个条件：一个是流体有粘性，第二个是流体必须流过物面。
边界层分离如果发生在机翼上将产生很严重的后果，那就是失速。
边界层分离还会使机翼的阻力大大增加，机翼被设计成园头尖尾的流线型就是为了减小阻力。
在高亚音速飞机上采用的超临界翼型，也是为了避免边界层的分离。
航空科技人员为了克服边界层分离所做的努力，贯穿了近代航空的发展历程，始终是推进航空科技发展的重要动力之一。