愿得“流体”心，白首不“分离”

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我有一个梦想，流体贴着壁面永不分离。可是梦想终难照进现实。在实际的工程问题中，似乎很少碰到不分离的流动。而流动分离又往往会对流动损失和阻力产生巨大的影响，所以减弱或者消除流动分离便成为了流体工程师的工作日常。

01、初识流动分离

在这个快节奏的社会，总是在路上的我们似乎已经习惯了分离，有时候甚至忘了曾经的萍水相逢。而在流体的世界，分离更是无处不在。飞机的表面会分离，车身的表面会分离，船体的表面会分离，连在空中飞行的高尔夫球表面也会分离。

分离，分离，为什么总是分离？

流动分离又称为边界层分离，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。

哦，原来流动分离的本质是边界层出了问题。

今天和大家聊聊流体和壁面之间的“离合悲欢”。如果把流体和壁面形容为一对恋人，那么边界层则像是两者之间的摩擦和隔阂，一旦隔阂过大，流体就不愿意再贴着壁面流动。

02、很高兴遇见你

作为流体和壁面的月老，科恩达可是把流体和壁面之间的相遇安排的明明白白的。

气流中的科恩达效应主要来自于粘性，即空气内部的摩擦力。如下图所示，由于壁面的阻隔，当主流区的流体由于粘性带走壁面附近的部分空气后，原来的地方得不到足够的空气补充，当地的压强就会降低，气流则由于两侧的压力不均衡而被压向壁面。于是，流体和壁面就仿佛“异性相吸”一样走到了一起。

03、一直走，是否可以到白头？

乍见心欢，久别思恋。一对恋人刚在一起的时候，对方的头上都是顶着“光环”，在彼此的眼中没有任何缺点，所以隔阂什么的都不存在。就仿佛流体刚接触壁面的时候，对壁面满眼都是宠爱，彼此之间的边界层很薄很薄。可是随着时间的推移，流体和壁面开始看对方不顺眼，彼此之间的隔阂越来越大，边界层也越来越厚。

随着流体和壁面之间的边界层不断增厚，我们开始担心会不会分离。不过如果壁面能够保持初心，其形状不出现扩张的话，流体也会乖乖的沿着壁面流动，通常不会发生分离。

壁面对流体的粘滞作用对于流体来说是一种摩擦力，因此会使流体减速。对于固体来说，滑动摩擦力通常和物体的运动速度无关，因此可以使运动的物体完全停下来。但是对流体而言，粘性力与速度的梯度成正比，当流速降低的同时，粘性力也会减小。因此，单纯的粘性力无法使流动完全停下来，也就不存在流动分离的问题了。

04、不是不相爱，现实太多无奈

如果壁面足够平整的话，流体是可以贴着壁面流动而不发生分离。然而，人生总是百转千回，流动也常常崎岖蜿蜒。

如果流道和壁面出现扩张或者弯曲的时候，流体还能贴住壁面吗？

刚才说到只有粘性力作用的时候，流体是不会发生倒流的，即不会产生流动分离。可是如果壁面出现了扩张，对于边界层内的流体，除了粘性力，还多了由于减速扩压带来的压差力。如果把粘性力形容为流体和壁面之间的内部矛盾，那么压差力则是来自外界环境的磨难。

内部矛盾终究是可以消化的，但外部的入侵者则是压垮流体和壁面关系的一座大山。可以想象，对于下图所示的扩张流动，相对于只受粘性力影响的主流，边界层内的流体在粘性力和压差力的共同压迫下，其减速程度要大得多。因此，当边界层内的流体停止时，主流仍然在向前运动，相应的压差力仍然存在。这就使得已经静止的边界层在逆向压差力的作用下发生了倒流，形成了流动分离。

05、分开以后，你还好吗？

正如开篇所说的，分离区的流动通常是混乱的，存在很多涡旋流动，因此分离流动往往会产生很强的剪切与掺混，带来流动损失，将高品质的动能转化为低品质的热能，引起令人痛哭流涕的熵增。此处需要特别说明的是，分离区的流动既可能是层流，也可能是湍流。旋涡不一定是湍流，流态取决于当地的条件。

对于实际的工程问题，流动分离产生的结果往往是阻力的增加和升力的减小，降低机械部件的气动性能和效率。当然极端情况下还可能会产生失速或者喘振，进而诱发安全问题。

机缘巧合时，边界层分离还会产生规则的脱落涡流，称为卡门涡街。涡流以一定的频率从结构的钝性下游表面脱落，其频率主要取决于流动的速度。涡旋脱落会产生交变力，这会导致结构振动。如果脱落频率与结构的共振频率一致，则可能导致结构故障，严重时会产生灾难性后果，比如塔科马海峡吊桥的坍塌。

06、想就这样牵着你的手不放开？

流动分离不仅会增加损失，影响气动效率，还可能带来很多安全问题，因此控制分离是流体工程师们永恒的话题。怎么才能让流体和壁面这对恋人永远的相亲相爱呢？

小小的挫折让彼此更坚定
熟悉流体的朋友们都知道：相对于层流，湍流的速度脉动更剧烈，湍流边界层内的动量交换也更强烈，因此湍流抗分离的能力要远远优于层流，就好像经历了很多坎坷和磨难的恋人更不容易分开一样。所以在实际工程中，可以通过强制将流体从层流转变成湍流来抑制流动分离，比如我们熟悉的高尔夫球，使用密布的小坑使流动尽早转捩，从而对抗分离；再比如很多航模的机翼上表面会沾上一根细线，称之为绊线，其作用亦是强迫流动转捩为湍流从而延迟分离。

回忆那些曾经的美好
前面提到，边界层分离是由于流体的动能不足引起的。因此，如果在分离点的上游，垂直于壁面成对安装一些有迎角的小翼，并使上端发生诱导涡，那么这些涡流到下游就可以把较高动能的流体微团向壁面输运，从而抑制分离。这些小小的涡流发生器就好像流体和壁面之间曾经有过的那些美好回忆，产生的高能流体在以后向苦难的日子里注入一些正能量，从而继续前行。

把不好的事情统统忘掉
对于扩张流动，分离的本质是边界层的流体在粘性力和压差力的作用下变成了低能的流体，无法和主流一起继续向前流动了。因此，如果在壁面开槽（或缝、孔）把这些低能流体抽走，便可以有效的防止或者推迟分离。同样，如果从开槽的地方吹入高能的流体，也可以让边界层的流体继续运动起来，从而抑制分离。让我们忘掉曾经那些不好的事情，继续携手向前。

坎坷的路，我们慢慢走
由于流体经过扩张角较大的通道时可能会发生分离，所以减小扩张角也是抑制分离的有效手段。比如，把扩张段延长或者做成曲面扩张的。坎坷的路，我们慢慢走，或许就不会那么难过了。

用爱把流体包围
当扩张角非常大时，也可以把通道分割成多个，以减缓通道的扩张程度，进而抑制可能发生的流动分离，就好像用更多的爱将流体围绕，让它不要离开。比如离心式压缩机的大小叶片。

分离是我们研究流体永恒的话题，而实际工程中的流动分离问题也远比我们在书本上见到的要复杂的多，需要具体问题具体分析。就好像“幸福的样子千篇一律，而不幸却各有各的不幸”。

来源：LBM与流体力学微信公众号（ID：LBMCFD），作者：卢比与钢蛋。