空气动力学之“逆压梯度和流动分离”

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如果外流因为流动方向上压强的降低而加速（伯努利方程），则在边界层中流体质点也会在流动方向上加速。因此，整个边界层中流动都沿着壁面保持同一个方向。

如果压强沿着流动的方向增加，这会产生一种逆压梯度。外流被减速，边界层中流动缓慢的流体质点流动的更加缓慢。如果这一减速足够大，流动就会从壁面分离而出现回流区。如图：

分离过程（最大速度点M，分离点A）

上图即为一种由于逆压梯度存在而展现的一种流动分离过程。分离会发展成为漩涡。在分离位置A附近，边界层厚度大大增加，此点的壁面剪切力为0。

有关逆压梯度的一点理解：

以下是上海（交通）大学解释“边界层分离的物理原因”的课件网页，摘录如下：

“……在顺压梯度区壁面附近的流体元将受到压力的推动前进；在零压强梯度区流体微团靠自身的动能克服粘性阻力前进；在逆压梯度区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。……”

粘性阻力很容易理解，而此处所说由逆压梯度（定义是dp/dx>0）引起的阻力则较为费解。其逻辑似乎是：逆压梯度加快了流动分离，但是对逆压梯度的成因却并未解释。从各类资料的图示中不难观察到如下规律：逆压梯度区间总是出现在“下坡的”曲面段。因此似乎可以认为：压力梯度的出现是由曲面决定的。

在这里我想提出有关逆压梯度的另一种解释，如下图所示：在空间内想象一个由曲面和一个边界（脑补）构成的文丘利管。根据连续性方程，流体（沿x轴方向）在区间一不断被加速，在区间二速度保持不变，在区间三逐渐减速。又由于伯努力方程，区间一沿x轴正方向压力（静压）逐渐减小，即dp/dx<0，而在区间二dp/dx=0，在区间三dp/dx>0。

这种解释的逻辑是：根据伯努力方程，流体加速或减速和压力梯度的正负是同一件事情，而这两个现象都是由物体表面的曲面走势决定的，根据连续性方程。因此我也认为，逆压梯度表明流体正在减速，但并不意味着逆压梯度和流体减速是某种因果关系。

另外，如果流体流经管道的转角，则在弯曲部分垂直于流动方向上会出现压强的增高，于是边界处的速度下降引起流动的分离并引发漩涡，如图：

类似的，气流流经房屋，河水流过柱子均会发生流动分离现象。

在工程上，为了减少能量损失，在压强升高的情况下，必须减少流动分离现象的产生。一种解决办法是使管口缓慢的变大，或者设计物体的形状足够细长。

另外的解决方法有，例如切向喷吹，如下图：

以及导流片：

来源：工程事微信公众号（ID：gctechshow）