你的流動分離算對了嗎，也許連上帝也無法回答

流體裡面有很多非常漂亮的現象， 充滿藝術感，比如我們上期分享的噴嘴霧化相關的Kelvin-Helmholtz 雲和 Rayleigh-Taylor 威士忌。 但是有一種流體現象，不論是科學家還是工程師，尤其是做相關CFD計算的模擬人員，應該沒有人會對這種現象表達愛慕，儘管有時它外表的確很迷人。今天要說的就是大名鼎鼎的流動分離現象！

雲層中的Kelvin-Helmholtz 現象

酒杯中的 Rayleigh-Taylor 現象

流動分離，顧名思義，就是流動分離了 。主要原因是靠近物體表面的邊界層內沿著流向的流動比較微弱，遇到比較強的逆壓梯度就會導致速度進一步降低甚至逆向流動，從而導致流動脫離壁面。

流動分離原理示意圖

前面是學術上的解釋，略顯專業和無聊，舉個大家都知道的例子，高爾夫球，光滑的高爾夫球流動分離區域非常大，而粗糙的高爾夫球的分離區域則大大減少，阻力更低、飛的更遠，這就是為什麼你見到的高爾夫球都是凹凸不平的。

光滑和非光滑高爾夫球的流動分離狀態

如果流動分離僅僅影響了我們生活中的樂趣，倒也不至於讓人談之變色，真正重要的是流動分離所引起的重大安全事故。比如天上的飛機，發動機內部的流動分離會導致發動機進入喘振狀態（就像我們咳嗽呼吸不到氣那樣），機翼表面的流動分離有可能導致飛機失速下降，釀成災難。

機翼在不同飛行攻角情況下的流動附著情況

舉幾個最近的例子吧，2020年5月5日，虎門大橋發生異常振動：

2021年5月18日，深圳市福田區華強北街道賽格大廈出現搖晃：

這兩個發生在身邊的例子，最終結論都是

渦激共振

所致，但是事實上與流動分離也有著直接的聯絡

。

可能有同學要問了，這個和流動分離有什麼關係呢？說到這裡，讓我們拿出一個簡化而又經典的例子，圓柱繞流的流動分離。在條件適當的情況下，圓柱繞流會形成如下圖類似的結構，學名卡門渦街（Karman_Vortex），這種現象由流體繞過圓柱時產生分離所致，而這種交替渦的脫離，會導致作用於圓柱上的週期往復的力。出現了週期力，產生共振就有了潛在因素。

圓柱繞流產生的卡門渦街，經典的流動分離

實際中虎門大橋和賽格大廈雖然不是圓柱，但是隻要是比較鈍的物體（比如方塊），基本都會形成類似的流動現象，產生類似的週期往復力。進而與結構固有頻率有可能產生共振而導致危害出現。

方塊物體的流動分離

除了導致災難事故，流動分離也有其他不好的影響，比如生活中常用到的汽車，又是一個典型的存在流動分離的場景。舉例來說，下面兩個不同的車模，明顯第二個要好於第一個，由於這個原因造成的汽車空氣動力學阻力可有20%以上的差別，因此如何降低分離區域，也是一個具有重大經濟價值的問題。

所以，如果你有一種非常簡單的辦法（非民科），能夠抑制或者控制分離流動，那麼你的這個價值千億！當然如果你的方法具有理論上的普適內涵，那你帶來的價值遠不止於此，你將作為歷史人物被載入流體力學、計算流體力學、空氣動力學等領域的書籍史冊，像馮卡門、錢學森、普朗特這樣的大師一樣，為後人所敬仰。

好了，短暫的白日夢結束，讓我們回到現實，作為設計/應用/模擬工程師，如何把流動分離評估準確可能是更加現實的一個問題。之所以這麼說，是因為在流動分離存在的情況下，你計算得到的結果一般是不對的，如果恰好對上了，那也是恰好對上了。下圖是摘自某文獻對於圓柱繞流阻力計算結果的統計，可以用”百花齊放，百家爭鳴“來形容這個結果了，甚至連被寄予厚望的大名鼎鼎的LES/DNS，也沒有完全符合預期。

記得之前在知乎上有個帖子，如何在完全不會用CFD的情況下裝作很瞭解的樣子，有很多答主提供了經典答案，比如質疑你的網格無關性（大部分人都不怎麼進行網格無關性驗證）、質疑你的湍流模型，但是遇到專業人士，你可能會心虛，用不了幾個來回，你就露餡了。我想今天透過這個文章，我們可以增加另外一種回答，就是“你的流動分離算準確嗎？”， 我保證這個問題即使面對領域特別資深的人，你也可以自信的問。本質上，這個問題是湍流的領域的問題，也許，正如那句名言所講

量子力學創始人之一維爾納·海森堡（Werner Heisenberg）在他生命的最後時刻發出這樣的感嘆：“我要問問上帝，為什麼有相對論，為什麼有湍流？我肯定他只能回答我第一個問題。”

所以，你的流動分離算對了嗎，也許連上帝也無法回答。