边界层分离综述
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
边界层分离边界层分离是一种软件设计和架构原则，旨在将不同层级的组件和模块在逻辑上进行分离并尽量减少它们之间的依赖关系。
这种分离的设计有助于提高系统的可维护性、可扩展性和重用性。
边界层分离的主要思想是将系统的不同功能和不同层次的处理逻辑划分为独立的组件，每个组件负责处理一类特定的任务，并且这些组件之间通过明确定义的接口进行交互。
边界层分离通常将系统分为三个主要层次：表示层（Presentation Layer）、业务逻辑层（Business Logic Layer）和数据层（Data Layer）。
表示层是用户与系统交互的界面，负责接收用户的输入，并将结果以用户可以理解的方式进行展示。
表示层可以是一个Web应用程序中的前端页面，也可以是一个命令行界面或者一个移动应用程序的用户界面。
表示层需要尽量减少与业务逻辑和数据层的耦合，因此可以通过定义接口和事件来与其他层进行通信。
业务逻辑层是系统的核心处理逻辑，负责处理用户的请求并根据业务规则进行相应的处理。
业务逻辑层可以包含一系列的服务和管理器，用于处理系统中涉及到的具体业务逻辑。
通过将业务逻辑层独立出来，可以提高系统的灵活性和可维护性，便于对业务规则的变更和扩展。
数据层负责与底层数据存储进行交互，并将数据持久化到数据库或其他存储介质中。
数据层可以包含数据访问对象（Data Access Object, DAO）、数据库访问层等组件，用于封装数据存取的具体实现细节。
数据层的设计要尽量与业务逻辑层解耦，以便能够灵活地切换底层数据存储或者更改数据访问方式。
边界层分离的好处在于它能够使系统中的不同层次和组件之间实现松耦合，从而方便进行单元测试、模块替换和系统扩展。
此外，边界层分离还有助于提高代码的可读性和可维护性，因为每个层次的代码都可以独立进行调试和修改，而不会影响其他层次。
然而，边界层分离并不是适用于所有的软件项目。
对于小型和简单的应用程序来说，过度的分层和分离可能会增加系统的复杂性和开发成本。
边界层分离过程
边界层分离过程
边界层分离是指将软件系统按照不同的边界进行划分，将系统的各个部分分离开来，形成彼此独立的边界层。
这个过程通常可以分为以下几个步骤：
1. 识别边界：首先需要明确系统的各个边界和边界之间的关系。
一个常见的方法是使用领域驱动设计（DDD）中的界限上下
文（Bounded Context）来辅助划分边界。
2. 定义边界接口：在边界层中，每个边界都定义了一组接口，用于与其他边界进行通信。
这些接口可以是方法、服务接口或消息协议等形式。
3. 实现边界功能：根据边界接口的定义，实现各个边界的功能。
这可以通过抽象接口的方式，使得边界的实现与其他边界之间解耦。
4. 隔离边界：为了保证不同边界之间的独立性，需要使用适当的隔离技术，如进程隔离、容器化、微服务等。
这样可以确保一个边界的故障不会影响到其他边界。
5. 集成边界：在边界层分离完成后，各个边界可以通过定义的边界接口进行集成。
这可以通过传统的调用方式、消息队列、事件总线等实现。
边界层分离的主要目的是解耦系统的各个部分，提高系统的可维护性和可扩展性。
通过将系统拆分成不同的边界，可以使开
发团队专注于各自的边界，提高开发效率，同时也减少了系统的复杂度。
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！。
边界层理论(Boundary layer theory)--西安交大
）之外的流体速度就形成：润湿→附着→内摩擦力→减速→梯度
边界层内：沿板面法向的速度梯度很边界层外：不存在速度梯度或速度梯度
流体在平板上流动时的边界层：
流动边界层：存在着较大速度梯度的流体层区域，即流速降为主体流速的99％以内的区域。
边界层厚度：边界层外缘与壁面间的垂直距离。
层流边界层：在平板的前段，边界层内的流型为层流。
湍流边界层：离平板前沿一段距离后，边界层内的流
直管内：流体须经一定的距离才能形成稳定的边界层。
由于总流量不变，中心流速增加。
边界层占据整个管截面。
与物体的长度相比，边界层的厚度很小；边界层内沿边界层厚度的速度变化非常急边界层沿着流体流动的方向逐渐增厚；
边界层中各截面上的压强等于同一截面上在边界层内粘滞力和惯性力是同一数量级边界层内流体的流动存在层流和紊流两种
圆柱后部：猫眼
扩张管（上壁有抽吸）
B
S′
A
涡，这种旋涡具有一定的脱落频率，称为卡门涡街.
湍流产生的原因：
湍动强度
在模型实验中，模拟湍流，要求雷诺数和湍动强边界层的转变、分离以及热量和质量传递系数等
依微分方程的个数：零方程模型、一方
FLUENT软件在化学处理领域主要可应用 于：
燃烧 干燥 过滤 传热和传质 材料处理 混合 反应 分离 蒸馏 喷射控制 成型 焚化 测量/控制 聚合 沉淀 通风
。
激波诱导边界层分离的研究
振等问题，除了造成大量旋涡，大大增加机械能消耗【４２】；当边界层分离发生在火箭芯级表面时，将显著加大飞行阻力，当激波与边界层的相互作用加剧时，会引起分离区的扩大，导致火箭的抖振Ｉ”ｌ；如果边界层分离发生在冲压发动机的进气道内时，将会弓ｌ起流场的畸变，流量系数减小，还会加大气流总压损失，使总压恢复系数降低Ｉ“ｌ。
清楚地掌握流动分离的机理，有效地预测和控制分离是十分重要的，且具有重大的实用价值。
研究激波与边界层的相互作用，既是边界层分离基础研究的一项重要内容，也是为解决航天航空和军事作业中一些工程实验问题提供理论基础。
由此可见，分离现象的研究，对于推进航空科技发展，具有一定的现实指导意义。
激波与边界层的相互作用的研究，是当今流体力学、气体动力学和工程热物理学科发展前沿的重大应用基础理论课题，也是航空航天领域的几大亟待解决的问题之一。
１．２物理现象及研究方法激波与边界层相互作用（Ｓｈｏｃｋ．Ｗａｖｅ／Ｂｏｕｎｄａｒｙ－ＬａｙｅｒＩｎｔｅｒａｃｔｉ蚰），一股简称为“ＳＷＢＬＩ”【１ｌ’主要体现在激波冲击边界层诱导其发生分离的现象，见图１．３。
由于边界层内贴近壁面的总是一层亚音速流，而激波只能在超音速流中形成，因此从主流区射向平板壁面激波，只能伸到边界层内的声速处，不能直接伸展到壁面上，而平板边界层不能承受较大的逆压梯度，这对，激波后面的突跃高压使得流场质点通过这一亚音速层往前移动，流线凸起，出现了边界层分离。
图１．３激波与边界层作用的Ｘ光照片【２】分离区的出现使得流线的凸起更加显著，呈凸包状。
于是在激波入射点上游，形成一个压缩波区并汇聚成一道激波，称为第一道反射激波，第激波形成过程和边界层形成过程之间存在着强烈的相互干扰，由此导致极为复杂的现象，至今尚未完全了解这些现象。
由于激波常常引起边界层的分离，所以对于物体的阻力来说，激波的出现有重要的影响。
激波及相应流场的理论计算是非常困难的，在这不作讨论。
因为边界层的特性主要取决于Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数，而激波中的条件则主要取决于Ｍａｃｈ数。
边界层概念——精选推荐
边界层及绕流由于流体粘滞性的存在，紧靠平板的一层流体质点将附着于平板表面上，与平板表面无U，相对运动，流速为0，而在距平板法线方向一定距离处流速仍为未受扰动的原有流速因此从平板表面到未扰动的流体之间存在着一个流速分布不均匀的区域，这个区域就是水流受平板影响的范围叫边界层。
边界层厚度常用符号δ表示。
边界层的厚度是沿平板而变化的。
因为粘滞流体流经平板时有内摩擦阻力发生，克服阻力必耗损一部分能量，以致平板附近部分水流的流速变缓，流经平板距离越长，耗损能量越多，水流受平板影响范围也越大，所以边界层的厚度总是沿板端的距离x而增加的。
边界层内的流体形态可能是层流，也可能是紊流。
在板端附近边界层极薄，流速自0U，因此流速剃度极大，以致产生很大的内摩擦阻力，所以板端附近边界层内的迅速增至流体往往是层流。
沿板端距离越远，边界层厚度越厚。
流速剃度随边界层厚度增加而变小，内摩擦阻力也相应减小，边界层内的流体可自层流逐渐过渡到紊流。
但在紊流边界层中靠近固体表面仍有一层极薄的粘性存在，如图所示若雷诺数用下列形式表示：0Re x U xγ=则距板端距离越远，雷诺数也越大。
当雷诺数达到某一临界值时，流体即自层流转变为紊流。
据实验结果临界雷诺数约在5*510～610之间，如流体非常平静，最高的临界雷诺数也可超过610。
根据边界层的概念，可把粘滞流体分成两个区域：在边界层外，流速剃度为0，无内摩擦力发生，因而也可视为理想流体的流动，符合势流的运动规律；在边界层以内，流速自0增至0U ，流速剃度很大，内摩擦力十分显著。
因此，分析边界层内的运动规律时，必须以粘滞流体所服从的定律（纳为－斯托克斯方程式）为依据。
边界层的分离现象及绕流阻力流体压强在驻点N 处最大，在较高压强作用下，流体由此分道向圆柱体两侧流动。
由于圆柱面的阻滞作用便形成了边界层。
边界层内的特点是流体流动时有能量损失，从N 点起向下游达到A 或B 以前，由于圆柱表面的弯曲，使流体挤压，流速沿程增加，故沿边界层的外边界上0U x ∂∂＝正值，p x∂∂＝负值，即在外边界上压强是沿程下降的，由此可知在NA 或NB 一段边界层内的流体是处于加速减压状态的，也就是说，在该段边界层内用压强下降来补偿能量损失外，尚有一部分压能转变为动能。
边界层--文献综述
文献综述前言本人正在做平板壁面上流体边界层求解的数学模型实验，因此查询了一些有关边界层的一些文献。
在这里，我要对边界层是如何形成的、它的定义、边界层的理论要点及其重要性和作用进行综述。
正文1.边界层的形成实际流体在固体边界上没有滑动，流体相对于边界的速度为零。
结果，速度梯度与切应力均在边界上有极大值，而在流体内部逐渐减小。
在那种情况下靠近边壁处速度梯度的陡度变得很大，而仅在贴近边界的较薄层内才发生明显的粘性剪切。
在此薄层之外，速度梯度迅速坦化，而粘性切力变小，此狭窄区域即称边界层。
2.边界层定义由于流体的黏滞性，在紧靠其边界壁面附近，流速较势流流速急剧减小，形成的流速梯度很大的薄层流体。
3.边界层理论3.1 边界层理论的概念根据黏性流体的黏附条件，当实际流体沿固定不动的固体壁面运动时，紧贴壁面的一层流体将黏附在壁面上而不滑脱。
黏附于壁面上的这层流体的速度为零。
在与壁面相垂直的法线方向上，流速由壁面处的零值迅速增大，并最终趋近于一定值。
Prandtl认为，在固体壁面附近存在着一流体薄层，此流层中的壁面法线方向上的速度梯度很大。
称这一流体层为边界层。
根据Prandtl边界层理论，在边界层中，既要考虑惯性力的作用，也要考虑黏性力的作用，即把流动视作黏性流体的有旋流动。
在边界层之外的流动区域中，壁面法向上的速度梯度极小，表明固体壁对流动的阻滞作用十分微弱，称此区域为主体流动区域。
在主流区域内，黏性力较惯性力小很多，因而无需考虑黏性力的影响，把流动看成是理想流体的有势流动。
3.2 边界层的主要特征边界层内的流动同时受粘性力和惯性力的作用，且由于存在流速梯度，流动是有涡流。
边界层厚度较一般物体的特征长度要小得多，即/ 1.0L δ<<。
边界层内既然是粘性流动，必然也存在层流和紊流两种流态，与其相应的边界层分别称为层流边界层和紊流边界层。
如图（1）所示的平板绕流，边界层从板端开始，在前部由于边界层厚度很薄，流速梯度很大，流动受粘性力作用控制，边界层内为层流，即层流边界层。
边界层理论及边界层分离现象
边界层理论及边界层分离现象一．边界层理论1.问题的提出在流体力学中，雷诺数Re∝惯性力/粘性力，当Re<1时，惯性力<<粘性力，可以略去惯性力项，用N-S方程解决一些实际问题（如沉降、润滑、渗流等），并可以获得比较满意的结果。
但对于工程流动问题，绝大多数的Re很大。
这时就不可以完全略去粘性力，略去粘性力的结果与实际情况相差很大。
突出的一例即“达朗倍尔佯谬——在流体中作等速运动的物体不受阻力。
”究竟应当怎样才能正确地处理大Re数的流动呢？这个矛盾一直到1904年，德国流体力学家普朗特提出了著名的边界层理论，即大Re数的流动中，大部分区域的惯性力>>粘性力，但在紧靠固壁的极薄流层中，惯性力≈粘性力，这才令人满意地解决了大Re数的流动的阻力问题。
2.边界层的划分Ⅰ流动边界层（速度边界层）以平板流动为例，x方向一维稳态流动，在垂直壁面的y方向上，流动可划分为性质不同的两个区域：（1）y<δ（边界层）：受壁面影响，法向速度变化急剧，du/dy很大，粘性力大（与惯性同阶），不能忽略。
（2）y>δ(层外主流层)：壁面影响很弱，法向速度基本不变，du/dy≈0。
所以可忽略粘性力（即忽略法向动量传递）。
可按理想流体处理，Euler方程适用。
这两个区域在边界层的外缘衔接起来，由于层内的流动趋近于外流是渐进的，不是突变的，因此，通常约定：在流动边界层的外缘处（即y＝δ处），ux＝0.99u∞，δ为流动边界层厚度，且δ＝δ(x)。
Ⅱ传热边界层（温度边界层)当流体流经与其温度不相等的固体壁面时，在壁面上形成流动边界层，同时，还会由于传热而形成温度分布，可分成两个区域：（1）y<δt（传热边界层）：受壁面影响，法向温度梯度dt/dy很大，不可忽略，即不能忽略法向热传导。
（2) y>δt（层外区域）：法向温度梯度dt/dy≈0，可忽略法向热传导。
通常约定：在传热边界层的外缘处（即y＝δt处），ts－t＝0.99(ts－t0) ≈ ts－t0，δt 为温度边界层厚度，且δt＝f(x)；ts为壁面温度；t0为热边界层外（主流体）区域的温度。
【边界层】边界层分离
【边界层】边界层分离⾸先先说下流体为什么会产⽣边界层分离呢？粘性⼒会导致流体的质点动量减⼩，进⽽在壁⾯位置产⽣边界层。
流体中另外⼀个主要的⼒就是压⼒了。
当流体运动时根据伯努利原理，有动能和势能变化就会产⽣压⼒能。
这个压⼒能我们可以⽤压差来表⽰。
之所以产⽣边界层分离，就是因为流体层之间的压差和粘性⼒导致流体质点的动量减⼩为零甚⾄是负，使得边界层内流体质点产⽣回流，将边界层内另外的流体质点被挤向外侧主流，边界层与壁⾯也就产⽣了分离。
下⾯来解释下机翼型和球状型边界层分离的不同。
我在⽹上找了个图，结合这个图我来回答你的问题。
⾸先我们假设⽓流从远处来的时候速度⼀致。
当⽓流接触到机翼和球状物时，都会产⽣加速。
你可以理解为，体积流量⼀致，速度和流过的截⾯积成反⽐。
根据伯努利原理，当速度增加时，不考虑势能的话，压⼒是减⼩的，即为顺压。
在这个阶段，在壁⾯附近的边界层处，顺压导致的压差是可以克服粘性的作⽤，使得流体质点保持向前运动。
此后的阶段机翼和球状物的边界层就不太⼀样了。
在流体质点继续前⾏，过了球状物最⾼点位置时，根据前⾯说的，这个时候流体会减速，产⽣逆压。
⽽运动的流体质点在此刻既要抵抗粘性作⽤，⼜要克服压差。
当动量不⾜以克服这两个作⽤时，会产⽣停滞甚⾄回流，回流作⽤使得边界层内的流体质点挤向外部，所以导致边界层脱离壁⾯。
同样对于机翼来说，由于过了最⾼点后，也会产⽣逆压，但由于机翼后段的形状趋于平⾏（近似的），所以相较⽽⾔，逆压要⽐球状物的⼩得多。
逆压少，导致流体质点回流的动能就少，所以机翼的边界层的分离点相对靠后，并且厚度⽐较⼩。
发布于 2015-04-06赞同 8收起评论收起Lee Brook (提问者) 4 年前 还有⼀个问题，就是机翼上的⽓体过了最⾼点后，速度减⼩，产⽣了逆压，为什么没有分离呢，是因为这个逆压很⼩，还不⾜以克服⽓体的动能，对吗？⽽球体因为形状变化太⼤，逆压也很⼤，所以分离了？ 赞回复踩举报三⽉雪 (作者) 回复Lee Brook (提问者) 4 年前 你可以这样理解的。
边界层及其分离
是由于粘性造成的。
★ 理想流假设撇开粘性来处理问题是一种很有价值的合乎逻辑的 抽象，可成功解决与粘性关系不大的升力等问题，而与粘性关
系密切的阻力等问题则需用粘性流体力学及其简化理论来解决
2018/8/18
5.2 粘 流
5.2 粘流的流动状态
（1）雷诺试验，1883
① 小V，稳定直线，界限分明
② V↑，波纹,横向运动和振荡
如果作用面的法线方向与坐标轴重合，则合应力可分解为
三个分量，分别为法应力分量和切应力分量。
2018/8/18
粘性流体的应力状态
由此可见，用两个下标可把各个应力分量的作用面方位和投影方向表
示清楚。其中第一个下标表示作用面的法线方向，第二个下标表示应
力分量的投影方向。
从而三个面的合应力可表示为 x面 : x xxi xy j xz k y面 : y yxi yy j yz k z面 : z zx i zy j zz k 如果在同一点上给定三个相互垂直坐标面上的应力，那么过该点任意 方向作用面上的应力可通过坐标变换唯一确定。
u x
连续性方程代入
（ ）＝0)：
yy p 2
zz p 2
v
v y
w z
不论是否可压缩流体， 本构关系都满足：
p
xy x y
yz y z
w v
u
xx yy zz
3
zx
u w z x
2018/8/18
5.4 粘性流体运动方程---Navier-Stokes方程
边界层分离概念
边界层分离概念
边界层分离是指将软件系统的不同层次的功能和职责进行清晰的划分，并通过定义明确的边界来隔离各个层次之间的交互。
它通常用于软件架构和设计中，可以帮助开发人员更好地组织和管理系统的组件和模块，提高系统的可维护性和扩展性。
边界层分离的主要目的是将不同的功能和职责集中在特定的层次中，并通过明确的接口定义和边界划分来降低各个层次之间的耦合性。
这样可以使系统更加模块化，并允许各个层次独立地进行开发、测试和部署。
边界层分离通常包含以下几个关键概念：
1. 用户界面层：负责与用户进行交互，接收用户的输入并向用户展示系统的输出。
用户界面层应尽量减少复杂的业务逻辑，主要关注于界面的呈现和用户交互。
2. 应用层：包含系统的核心业务逻辑，负责处理用户的请求并调用相应的领域模型进行处理。
应用层可以看作是用户界面层和领域层之间的协调者和中介者。
3. 领域层：包含系统的领域模型和业务规则，负责实现系统的核心业务逻辑。
领域层应该是独立于具体技术实现的，可重用和可测试的。
4. 基础设施层：负责提供与外部系统的交互和数据存储。
基础设施层包括与数据库、第三方服务、文件系统等进行交互的接
口和实现。
通过将系统的不同层次进行边界层分离，开发人员可以更好地组织和管理系统的组件和模块。
这不仅有助于系统的可维护性和扩展性，还可以促进团队的协作和开发效率的提高。
边界层分离综述
边界层分离综述西安交通大学化工31班陈光2131502008摘要：当流体流过物体时，由于流体本身黏性作用，会在物体表面形成边界层。
而在某些情况下，如物体表面曲率较大时，常常会出现边界层在某个位置开始脱离物面，并在物面附近出现与主流方向相反的回流，流体力学中称这种现象为边界层分离现象。
本文就边界层分离机理、边界层分离发生条件、边界层分离的控制及边界层分离应用等方面对其作出系统介绍。
关键词：边界层分离；发生机理；控制；卡门涡街引言当流体流经曲面物体或化工流体输送过程中流体流经管件、阀门、管路突然扩大或突然缩小以及管路的进出口等局部地方，都会出现边界层的分离现象。
边界层分离理论在化工流体输送和流体力学的研究应用方面具有重要的意义。
1.边界层分离发生的机理1)边界层分离概述边界层是一个薄层，它紧靠物面，沿壁面法线方向存在着很大的速度梯度和旋度的流动区域。
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，边界层内流体流速会减小，压力增加。
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逆压梯度，流动在逆压梯度作用下，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势流的速度方向相反，即产生逆流。
该逆流会把边界层向势流中排挤，造成边界层突然变厚或分离。
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。
2)模型分析现以黏性流体绕过一无限长圆柱体的流动为例，从边界层的形成和变化过程来说明曲面边界层的分离现象。
如图a所示：图a 黏性流体流过圆柱体表面情况当流体到达A点（驻点）时，流速为零，流体的压力p最大。
由于流体是不可压缩的，后继流体质点在A点处，流体高压力作用下，只好将部分压力作用转化为动能，沿圆柱体继续向下游流动。
又由于流体黏性作用，沿柱体表面的法线上将建立起速度边界层，且沿流动方向逐渐加厚。
2.8.2边界层分离
dx
dx
一部分转变为动能，另一部分用于克服黏
性流动所产生的剪应力。到达B点时，速 度
达最大值，压力则为最小值。
过了B点，流速开始减慢，主流体和
边界层流体均处于减速、增加状态，称
为
dux 0 dp 0
逆向压力梯度，即 dx
，dx 。
在剪应力和逆向压力梯度的双重作 用
下，边界层流体的动能逐渐消耗殆尽， 而
总结：
1、分离过程：在顺压梯度区（B点前)：流体加速 在逆压梯度区（B点后)：BP段减速→P点停止→P点后倒流。
2、分离的原因 — 黏性 3、分离的条件 — 存在逆压梯度，且压力梯度与剪应力梯度相比足够大。 4、分离的实际发生 — 微团滞止和倒流
粘性流体在压力降低区内流动（加速流动）， 决不会出现边界层的分离，只有在压力升高区内流 动（减速流动），才有可能出现分离，形成漩涡。 尤其是在主流减速足够大的情况下，边界层的分离 就一定会发生。
形成一个新的停滞点P，在该点处速度为
零，压力达到极大值。
边界层分离
由于流体是不可压缩的，故后续 流体到达P点时，在高压作用下被迫离 开壁面和原流线方向，将自身部分静 压能转变为动能，脱离壁面并沿另一 条新流线方向向下游流去。
这样，在P点的下游就形成了空白 区，在逆向压力梯度的作用下，必有 一股倒流的流体补充进来，但它们又 不能靠近处于高压下的点P而被迫退回， 形成涡旋。
由于湍流边界层分离点较层流边界层靠后，故形成 尾流较小，形体阻力也较小，但并不意味着总阻力 较层流小。
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。
流体的边界层和分离层
流体的边界层和分离层在流体力学中，边界层和分离层是研究流体流动中重要的概念。
边界层是指在固体物体表面附近的流动区域，而分离层则是边界层中的一种特殊现象。
本文将介绍流体的边界层和分离层的基本概念、特性以及对流体流动的影响。
一、边界层的概述边界层是指流体在固体表面附近出现的一种流动现象，其特点是流速由0逐渐增加至远离固体表面的自由流速。
边界层的存在造成了流体流动的复杂性，对于研究物体受力、摩擦等问题具有重要意义。
边界层的厚度可以通过雷诺数进行判断。
当雷诺数较小时，边界层厚度较大，流体粘性较为显著；当雷诺数较大时，边界层厚度较小，流体粘性影响较小。
边界层的厚度对于流体的传热、传质以及摩擦等现象均有影响。
二、边界层的结构边界层可以根据流动状态分为两种：层流边界层和紊流边界层。
1. 层流边界层在低雷诺数条件下，边界层内的流动呈现有序、层流状态。
层流边界层中，流速沿着垂直于固体表面方向的速度梯度逐渐减小，涡度较小，流体粘性占主导地位。
2. 紊流边界层当雷诺数较大时，边界层内的流动呈现无序、紊乱状态。
紊流边界层中，流速变化剧烈，涡度较大，流体的惯性效应主导。
三、分离层的形成和影响分离层是指边界层中流体无法紧贴固体表面流动而脱离表面的现象。
分离层的形成和影响对于流体流动的研究和应用有着重要意义。
分离层的形成主要受到以下几个因素的影响：1. 压力梯度：当压力梯度较大时，流体容易脱离固体表面形成分离层。
2. 流速：当流速较高时，流体惯性较大，容易产生分离现象。
3. 表面形状：表面的凹凸不平会使得流体流动产生压力分布的不均匀，从而导致分离层的形成。
分离层的存在对于流体流动具有一定的影响：1. 阻力增加：分离层会增加流体与固体表面的摩擦阻力，导致整体阻力增加。
2. 流场波动：分离层会在流体流动中形成涡流和湍流等不稳定流动现象，影响流场的稳定性。
四、控制分离层的方法为了减小分离层对流体流动的影响，可以采取以下措施：1. 改变表面形状：通过改变固体表面的形状，使得流体在表面上更容易附着，减少分离层的形成。
边界层及其分离
虹吸管正常工作条件 最大真空度 列1-1和最高断面c-c的 能量方程：
pa pc l AC z1 zc g g d 1c v2 2g
第三节 短管出流
l AC p a pc d 1C zc z1 H hv 7 ~ 8mH 2 O l AB g d 1 2
紊流
xE 50 d
9
4.7.3 曲面边界层的分离现象和卡门涡街
一、曲面边界层的分离现象 在实际工程中，物体的边界往往是曲面（流线型或非
流线型物体）。当流体绕流非流线型物体时，一般会出现
下列现象：物面上的边界层在某个位置开始脱离物面， 并在物面附近出现与主流方向相反的回流，流体力学中称 这种现象为边界层分离现象，如下页图所示。流线型物体 在非正常情况下也能发生边界层分离。
10
曲面边界层的分离
11
1、 M M 断面以前,过流断面收缩，流动加速，为顺压梯度区；p 0 x 流体压能向动能转变，不发生边界层分离 2、
p 0 x 在附面层的外边界上， M 具有速度的最小值与压强的最大值 3、S点以后的流体质点在与主流方向相反的压差作用下 ,产生与主流 反方向的回流，但是离物体壁面较远的流体，由于附面层外部流 体对它的带动作用，仍能保持前进的速度。回流和前进这两部分 运动方向相反的流体向接触，就形成旋涡。
hv max p a pc g max l AC d 1C hs H hv 7 ~ 8mH 2 O l AB d 1 2
25
最大安装高度
l AC d 1C hs hv H l AB d 1 2
21
短管淹没出流
边界层理论及边界层分离现象
边界层理论及边界层分离现象一．边界层理论1.问题的提出在流体力学中，雷诺数Re∝惯性力/粘性力，当Re<1时，惯性力<<粘性力，可以略去惯性力项，用N-S方程解决一些实际问题（如沉降、润滑、渗流等），并可以获得比较满意的结果。
但对于工程流动问题，绝大多数的Re很大。
这时就不可以完全略去粘性力，略去粘性力的结果与实际情况相差很大。
突出的一例即“达朗倍尔佯谬——在流体中作等速运动的物体不受阻力。
”究竟应当怎样才能正确地处理大Re数的流动呢？这个矛盾一直到1904年，德国流体力学家普朗特提出了著名的边界层理论，即大Re数的流动中，大部分区域的惯性力>>粘性力，但在紧靠固壁的极薄流层中，惯性力≈粘性力，这才令人满意地解决了大Re数的流动的阻力问题。
2.边界层的划分Ⅰ流动边界层（速度边界层）以平板流动为例，x方向一维稳态流动，在垂直壁面的y方向上，流动可划分为性质不同的两个区域：（1）y<δ（边界层）：受壁面影响，法向速度变化急剧，du/dy很大，粘性力大（与惯性同阶），不能忽略。
（2）y>δ(层外主流层)：壁面影响很弱，法向速度基本不变，du/dy≈0。
所以可忽略粘性力（即忽略法向动量传递）。
可按理想流体处理，Euler方程适用。
这两个区域在边界层的外缘衔接起来，由于层内的流动趋近于外流是渐进的，不是突变的，因此，通常约定：在流动边界层的外缘处（即y＝δ处），ux＝0.99u∞，δ为流动边界层厚度，且δ＝δ(x)。
Ⅱ传热边界层（温度边界层)当流体流经与其温度不相等的固体壁面时，在壁面上形成流动边界层，同时，还会由于传热而形成温度分布，可分成两个区域：（1）y<δt（传热边界层）：受壁面影响，法向温度梯度dt/dy很大，不可忽略，即不能忽略法向热传导。
（2) y>δt（层外区域）：法向温度梯度dt/dy≈0，可忽略法向热传导。
通常约定：在传热边界层的外缘处（即y＝δt处），ts－t＝0.99(ts －t0) ≈ ts－t0，δt为温度边界层厚度，且δt＝f(x)；ts为壁面温度；t0为热边界层外（主流体）区域的温度。
边界层分离现象
1、边界层分离现象边界层中的流体质点受惯性力、粘性力和压力的作用。
其中，粘性力的作用始终是阻滞流体质点运动，使流体质点减速，失去动能；压力的作用取决于绕流物体的形状和流道形状，顺压梯度有助于流体加速前进，而逆压梯度阻碍流体运动。
以圆柱绕流为例说明边界层的分离现象。
对于理想流体，流体微团绕过圆柱时，在OM段为加速减压区，压能转化为动能。
在MF段为减速增压区，动能减小压能增加。
对于粘性流体，在上述能量的转化过程中，由于粘性的作用，边界层内的流体质点将要克服粘性力作功而消耗机械能。
因此微团在逆压区，不可能到达F点，而是在MF段中的某点处微团速度降为零，以后来的质点将改道进入主流中，使来流边界层与壁面分离。
在分离点下游的区域，受逆压梯度的作用而发生倒流。
分离点定义为紧邻壁面顺流区与倒流区的分界点。
在分离点附近和分离区，由于边界层厚度大大增加，边界层假设不在成立。
边界层分离的必要条件是：逆压梯度和物面粘性的阻滞作用结果。
仅有粘性的阻滞作用而无逆压梯度，不会发生边界层的分离，因为无反推力使边界层流体进入到外流区。
这说明，顺压梯度的流动不可能发生边界层分离。
只有逆压梯度而无粘性的阻滞作用，同样也不会发生分离现象，因为无阻滞作用，运动流体不可能消耗动能而滞止下来。
气流绕翼型的流动与边界层分离现象如下图：需要指出的是：逆压梯度和壁面粘性阻滞作用是边界层分离的必要条件，但不是充分的，也就是说只有在一定的逆压梯度下，才有可能发生分离。
2、在不同压力梯度区边界层的速度分布特征根据边界层动量方程，在壁面上：压力梯度对边界层内流动速度分布产生一定的影响。
对于顺压梯度的情况，有：对于逆压梯度的情况，有：对于零压梯度的情况，有：由此可见，随着压力梯度的变号，边界层速度分布的曲率将改变符号。
对于顺压梯度区，压力沿程减小，速度沿程增加。
在壁面处：另一方面，在边界层的外边界上，有：由此说明，在顺压梯度区，边界层内的速度沿y方向是单调增加的，分布曲线无拐点，是一条向外凸的光滑曲线，流动是稳定的。
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边界层分离综述西安交通大学化工31班陈光2131502008摘要：当流体流过物体时，由于流体本身黏性作用，会在物体表面形成边界层。
而在某些情况下，如物体表面曲率较大时，常常会出现边界层在某个位置开始脱离物面，并在物面附近出现与主流方向相反的回流，流体力学中称这种现象为边界层分离现象。
本文就边界层分离机理、边界层分离发生条件、边界层分离的控制及边界层分离应用等方面对其作出系统介绍。
关键词：边界层分离；发生机理；控制；卡门涡街引言当流体流经曲面物体或化工流体输送过程中流体流经管件、阀门、管路突然扩大或突然缩小以及管路的进出口等局部地方，都会出现边界层的分离现象。
边界层分离理论在化工流体输送和流体力学的研究应用方面具有重要的意义。
1.边界层分离发生的机理1)边界层分离概述边界层是一个薄层，它紧靠物面，沿壁面法线方向存在着很大的速度梯度和旋度的流动区域。
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，边界层内流体流速会减小，压力增加。
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逆压梯度，流动在逆压梯度作用下，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势流的速度方向相反，即产生逆流。
该逆流会把边界层向势流中排挤，造成边界层突然变厚或分离。
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。
2)模型分析现以黏性流体绕过一无限长圆柱体的流动为例，从边界层的形成和变化过程来说明曲面边界层的分离现象。
如图a所示：图a 黏性流体流过圆柱体表面情况当流体到达A点（驻点）时，流速为零，流体的压力p最大。
由于流体是不可压缩的，后继流体质点在A点处，流体高压力作用下，只好将部分压力作用转化为动能，沿圆柱体继续向下游流动。
又由于流体黏性作用，沿柱体表面的法线上将建立起速度边界层，且沿流动方向逐渐加厚。
在AB段，外流区域中的势流流动都处于加速减压的状态。
由于边界层内各截面上压强近似等于同一截面上边界层外边界上的流体压强，可知边界层内部流体也处于加速减压状态。
所减少的压力能，部分用于克服由于黏性流动所产生的⁄<0，摩擦阻力，另外一部分转化为动能，形成加速流。
在AB段，压力梯度dp dx称为顺压区。
当流体到达圆柱体最高点B时，速度达到最大，压力最小。
B点之后，外部势流及边界层内的流动均处于减速加压的状态下，压力递增，⁄>0，称为逆压区。
由于压力与黏性阻力的共同作用，流体动能流速递减，dp dx越来越小。
当到达C点时，近壁处流体质点的动能已被消耗殆尽，流体质点不能继续向前运动，于是一部分流体质点在C点停滞下来。
在C点，流体速度为0，但压力较上游更大。
由于流体是不可压缩，后继流体质点因C点处高压而不可接近，被迫脱离壁面和原来的流向向下游流去。
这种边界层脱离壁面的现象称为边界层分离，C点称为分离点。
过C点以后，压力继续增加，在压力差的作用下，除壁上流体质点速度仍处于零外，近壁处的流体质点开始倒退。
而后的流体质点在近壁处同样被迫停滞和倒退，以致越来越多被阻滞的流体短时间内在圆柱体表面和主流之间堆积起来，使边界层剧烈增厚，边界层内流体质点的倒流迅速扩展，而边界层外的主流继续向前流动。
这样在C点下游，以CC＇线为界，在CC＇以内是倒流，以外是向前的主流，两者方向相反。
3)压力梯度分析在圆柱体壁面上（此处 = =0）应用动量方程得：由此可知：壁面上的速度分布曲率直接受外加压力梯度的影响。
如图（a）(b)所示：压力梯度的几何效应如图列举出三个例子。
对于顺压梯度，速度分布的曲率知道边界层边缘都是负的，这种速度分布弯曲平滑，没有分离的迹象。
对于零压力梯度，速度分布的曲率在壁上为零，接近边界层外层变为负值。
这种速度分布至少是中性稳定的，没有分离趋势。
而第三种逆压梯度的速度分布曲率在壁面上为正，但在边界层外缘必须为负，因此其间必有拐点。
这种速度分布是不稳定的，有产生湍流的趋势，而且若压力梯度足够大又是正的话，拐点进一步离开壁面，直至形成回流条件。
在连续的条件下，在速度梯度等于零的点，流动从壁面上分离，开始出现回流。
此点之后，流动显著离开边壁，以致法向速度很大，边界层方程不再成立。
我们得出结论：流动分离仅仅发生在逆压梯度的情况下。
2.理想流体会发生边界层分离吗？当理想流体沿长圆柱体绕流流动时，由于理想流体无黏性，会在柱体表面发生滑脱。
为分析流体流动内部的压力与速度分布规律。
在流动的水平方向上任取两点，根据伯努利方程：+ =+ =+ =常数由此可知，在流场的任一点处，流速愈小，流体压力越大。
当流体到达图中A点时，流速为零，流体的压力p最大。
由于理想流体是不可压缩的，因此，后继的流体质点在A点处流体高压力的作用下，将部分压力能转变为动能，并被迫改变原来的运动方向，绕过圆柱体向下游游去；由于柱体前后的流动完全对称，故压力在柱体前后的作用也完全对称，其结果是流体对柱体并未施加任何曳力。
由此，理想流体由于无黏性，不会发生边界层分离。
3.边界层发生分离的条件由上述讨论可知，产生边界层分离的必要条件有两个：一是物面附近的流动区域中存在逆压梯度；二是流体的黏性。
如果仅有流体的黏性而无逆压梯度，则流体不会倒流回来，例如流体沿平壁面上的流动；如果仅存在逆压梯度而无黏性力作用，也不会产生边界层分离，例如上文所述理想流体绕过柱体的流动。
逆压梯度和壁面粘性阻滞作用是边界层分离的必要条件，但不是充分的。
边界层的分离与否，还要考虑物体表面的曲率或逆压梯度的大小。
4.边界层分离的控制边界层分离的发生是由于在流动方向上，与流动方向相反的压差阻力和壁面黏性阻力使边界层内流体动能消耗殆尽，从而产生的分离，形成回流区或漩涡。
其中黏性阻力和压差阻力之和统称为物体阻力。
对于圆柱体和球体等钝头体，压差阻力要比黏性阻力大得多；而流体纵向流过平板时一般只有黏性阻力。
虽然从物理分析上能够完全清楚物体阻力形成过程，但是要从理论上确定一个任意形状物体的阻力，至今还是十分困难的。
目前还只能在风洞中用实验方法测得，即风洞试验。
通过实验分析可得，物体阻力与来流的动压头ρV 及物体在垂直于来流方向上的截面积A的乘积成正比，即F =C 12ρV AF ，为物体总阻力，NC ，无量纲的阻力系数为便于比较各种形状物体阻力，工程上引用无因次阻力系数C 来表示物体阻力大小。
另外由实验得知，对于不同的不可压缩流体的几何相似物体，如果雷诺数相同，则他们的阻力系数也相同。
因此，在不可压缩流体中，对于来流方向具有相同方位角的几何相似物，其阻力系数只与雷诺数有关。
则知通过改变雷诺数、流体流速和物体形状可以影响物体总阻力。
若流体流速较小或Re较小时，在圆柱体表面上形成的边界层可能是层流边界层。
此时流体的惯性力较小，流体克服黏性阻力和压差阻力的能力较小，则分离点将向上游区移动。
另一方面，若流体流速较大，在圆柱体表面上形成的边界层可能为湍流边界层。
在此情况下，由于流体的惯性力较大，流体克服阻力的能力较大，则分离点将向下游区移动。
另外当在边界层分离区域较大的绕流物体，由于物面压力发生较大变化，物体前后压力明显不平衡，一般会存在比黏性阻力大得多的压差阻力（又称形阻）。
当层流边界层在到达分离点之前已转变成湍流时，由于湍流的强烈混合效应，分离点会后移。
生活中对于边界层分离控制的例子：1.改变物体形状。
通过改变物体形状可以改变物体物面上的压力梯度，尽可能缩小分离区，如工业中多采取流线型物面来实现这一点。
2. 增加边界层内流体的动量。
该方法可以提高流体微团抵抗逆压梯度的能力，进而使分离点后移。
3. 对于钝物，人工激流也是一种减少形状阻力的有效措施，该方法在船模实验中非常实用。
5.边界层分离的应用卡门涡街1911年，匈牙利科学家冯·卡门在德国专门研究了圆柱背后漩涡的运动规律。
实验研究表明，在一定条件下的定常来流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，这种漩涡具有一定的脱落频率，称为卡门涡街。
如图所示：对圆柱绕流，涡街的每个单涡的频率f与绕流速度v成正比，与圆柱体直径d成反比，即f=S。
S 是斯特劳哈尔数，它主要与雷诺数有关。
当雷诺数为300～3×10^5时，S 近似于常数值0.21。
出现涡街时，流体对物体会产生一个周期性的交变横向作用力。
如果力的频率与物体的固有频率相接近，就会引起共振，甚至使物体损坏。
这种涡街曾使潜水艇的潜望镜失去观察能力，海峡大桥受到毁坏，锅炉的空气预热器管箱发生振动和破裂。
但是利用卡门涡街的这种周期的、交替变化的性质，可制成卡门涡街流量计，通过测量涡流的脱落频率来确定流体的速度或流量。
6.结论边界层分离现象是流体动能克服黏性阻力和压差阻力的结果。
因此产生边界层分离必须具备两个条件：一是物面附近的流动区域中存在逆压梯度；二是流体的黏性。
通过对物体阻力的分析，得知可以通过改变对物面形状、来流流速及流动的Re来控制边界层分离情况。
7.参考文献[1] 陈涛.张国亮.化工传递过程基础第三版[M]北京：化学工业出版社，2002:92[2] F.M.怀特.粘性流体动力学[M].魏中磊.译.北京：机械工业出版社，1982：255。