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流体力学において、流れの剥離または境界層剥離とは、境界層が表面から剥離して後流となる現象である。[ 1 ]
流体と固体表面との間に相対運動が生じる場合、必ず境界層が存在します。表面に近い流体層には粘性せん断力が作用します。境界層は層流または乱流のいずれかになります。境界層が層流か乱流かを適切に判断するには、局所的な流れの状態におけるレイノルズ数を計算することで可能です。
剥離は、流線体の最も厚い部分を通過した後、または幅が広がる通路を通過した後、流れが減速しているときに発生する。流れが減速している場所では、圧力が上昇する。
圧力が上昇する方向に流れることを逆圧力勾配流と呼びます。境界層は、逆圧力勾配で十分に移動し、表面に対する境界層の速度が停止して方向が反転すると剥離します。[ 2 ] [ 3 ]流れは表面から剥離し、代わりに渦や渦流の形をとります。流体は剥離すると、表面に付着している場合のように圧力が継続的に増加するのではなく、一定の圧力を表面に及ぼします。[ 4 ]空気力学では、流れの剥離は、物体の前面と背面の圧力差によって引き起こされる揚力の減少と圧力抗力の増加をもたらします。航空機の構造や操縦翼面のバフェッティングを引き起こします。内部通路では、剥離は機械ブレードの失速と振動、および吸気口と圧縮機の損失の増加（効率の低下）を引き起こします。流れの剥離を遅らせ、流れをできるだけ長く付着させるような空力および流体力学的表面形状の設計と追加機能の開発に多大な努力と研究が費やされてきました。例としては、テニスボールの表面にある毛、ゴルフボールのディンプル、グライダーの乱流発生器（これらは乱流への早期遷移を誘発する）、航空機の渦発生器などが挙げられる。
流れの反転は主に、外側のポテンシャル流れによって境界層に課せられる逆圧力勾配によって引き起こされる。境界層内の流れ方向の運動量方程式は近似的に次のように表される。
どこは流れ方向座標と法線座標です。逆圧力勾配とは、すると速度が変化することがわかる減少するそして、逆圧力勾配が十分に強い場合はゼロになる可能性もある。[ 5 ]
境界層が剥離する傾向は、主に逆方向または負の境界速度勾配の分布に依存する。表面に沿って、それはベルヌーイの関係の微分形式によって圧力とその勾配に直接関係しており、これは外側の非粘性流の運動量方程式と同じです。
しかし、一般的な規模は剥離に必要な力は、層流よりも乱流の方がはるかに大きく、乱流の方がほぼ1桁強い流れの減速に耐えられる。二次的な影響はレイノルズ数である。乱流境界層の剥離抵抗は、レイノルズ数の増加に伴ってわずかに増加する。一方、層流境界層の剥離抵抗はレイノルズ数に依存しない。これはやや直感に反する事実である。
境界層剥離は内部流れで発生する可能性があります。これは、急速に拡大するダクトやパイプなどが原因で発生する可能性があります。剥離は、流れが拡大する際に遭遇する逆圧力勾配によって発生し、剥離した流れの広い領域を引き起こします。再循環流とダクトの中央領域を通過する流れを分離する流れの部分は、分離流線と呼ばれます。[ 6 ]分離流線が再び壁に付着する点は、再付着点と呼ばれます。流れが下流に進むにつれて、最終的に平衡状態に達し、逆流はなくなります。
境界層が剥離すると、その残骸がせん断層を形成し[ 7 ]、せん断層と表面の間に剥離した流れ領域が存在することで、外部のポテンシャル流れと圧力場が変化します。翼型の場合、圧力場の変化は圧力抗力の増加につながり、十分に深刻であれば 失速や揚力の喪失にもつながり、いずれも望ましくありません。内部流れの場合、流れの剥離は流れの損失の増加と、圧縮機のサージなどの失速タイプの現象を引き起こし、どちらも望ましくない現象です。[ 8 ]
境界層剥離のもう一つの影響は、カルマン渦列として知られる規則的な渦放出です。渦は、流れの速度に応じて一定の周波数で、構造物の下流側の平坦な表面から放出されます。渦放出は、構造物に振動を引き起こす可能性のある交番力を生じさせます。放出周波数が構造物の共振周波数と一致すると、構造物の破損につながる可能性があります。これらの振動は、隣接する固体または流体における発生源に基づいて異なる周波数で発生および反射され、共振を減衰または増幅する可能性があります。
