边界层分离

在水流中压强逐渐增高的区域内，边界层在某点脱离绕流物体壁面挤向主流的现象。图1为圆柱绕流（参见彩图ⅩⅦ—1），边界层中流体质点为克服沿程黏滞应力作功而消耗部分动能，同时，流体质点由D到E，外流压强沿程降低，部分压能转化为动能从而补偿了黏滞应力造成的动能损失。但当流体质点由E向F流动时，外流压强顺流增加，流体动能一部分转化为压能，并继续因克服黏滞应力而损耗。流经一定距离后，动能消耗殆尽，在固体边界附近的某点S处流速将变为零。水流质点的减速将使边界层增厚，同时下游的流体也将由压强高处向此点流动，发生回流。边界层内的水流自此点挤向主流，S点称为分离点，如图2。在分离点上游沿边界外法线的流速均为正值，且

ⅩⅦ—1 圆柱绕流尾部漩涡

北京航空航天大学流体力学研究所供稿

图1 边界层自固体壁面的分离

图2 分离点及其附近的流速分布图形

边界层分离后回流形成旋涡，绕流物体尾部的流动图形就改变了，称为尾流区，压强降低。圆柱绕流边界层分离后物面压强分布如图3所示，可以看出在分离点后压强分布与势流情况有很大差别。层流边界层的分离点在φ=80°，而紊流边界层的分离点在φ=120°左右。一般紊流边界层的分离点均较层流边界层移向下游，这是由于紊流边界层中强烈的动量交换，上层流体质点进入下层，带动了物体表面附近流体质点继续流动的缘故。

图3 圆柱绕流物表面压强分布示意图

边界层分离不仅发生在钝形物体绕流中，而且也发生在扩散角较大的管道或渠道中。一般希望尽量避免边界层的分离，以减小绕流物体的阻力和水头损失。防止边界层分离的措施很多，为保持压强梯度在一定限度之内，使分离点尽量推向下游或不发生分离，即将绕流物体做成流线型。此外边界层的吸收或向边界层吹入高速流体，均可防止分离的发生。