فصل التدفق

في ديناميكا الموائع ، فصل التدفق أو فصل الطبقة الحدودية هو انفصال الطبقة الحدودية عن السطح إلى أعقاب . ^[1]

توجد طبقة حدودية كلما كانت هناك حركة نسبية بين سائل وسطح صلب مع وجود قوى لزجة في طبقة السائل القريبة من السطح. يمكن أن يكون التدفق خارجيًا، حول جسم، أو داخليًا، في ممر مغلق. يمكن أن تكون طبقات الحدود إما رقائقية أو مضطربة . يمكن إجراء تقييم معقول لما إذا كانت طبقة الحدود ستكون رقائقية أو مضطربة عن طريق حساب رقم رينولدز لظروف التدفق المحلية.

يحدث الانفصال في التدفق الذي يتباطأ، مع زيادة الضغط، بعد المرور بالجزء الأكثر سمكًا من الجسم الانسيابي أو المرور عبر ممر متسع، على سبيل المثال.

التدفق ضد ضغط متزايد يُعرف بالتدفق في تدرج ضغط معاكس . تنفصل الطبقة الحدودية عندما تسافر بعيدًا بما يكفي في تدرج ضغط معاكس بحيث تتوقف سرعة الطبقة الحدودية بالنسبة للسطح وتنعكس الاتجاه. ^{[2] [3]} ينفصل التدفق عن السطح، ويأخذ بدلاً من ذلك أشكال الدوامات والدوامات . يمارس السائل ضغطًا ثابتًا على السطح بمجرد انفصاله بدلاً من الضغط المتزايد باستمرار إذا كان لا يزال متصلاً. ^[4] في الديناميكا الهوائية ، يؤدي فصل التدفق إلى انخفاض الرفع وزيادة مقاومة الضغط ، بسبب فرق الضغط بين الأسطح الأمامية والخلفية للجسم. يتسبب في اهتزاز هياكل الطائرات وأسطح التحكم. في الممرات الداخلية ، يتسبب الفصل في توقف واهتزازات في شفرات الآلات وزيادة الخسائر (انخفاض الكفاءة) في مداخل الهواء والضواغط. لقد بذل الكثير من الجهد والبحث في تصميم محيطات السطح الديناميكية الهوائية والهيدروديناميكية والميزات المضافة التي تؤخر فصل التدفق وتحافظ على التدفق متصلًا لأطول فترة ممكنة. وتشمل الأمثلة الفراء الموجود على كرة التنس، والغمازات الموجودة على كرة الجولف، والمحركات المضطربة على الطائرات الشراعية، والتي تسبب انتقالًا مبكرًا إلى التدفق المضطرب؛ ومولدات الدوامات على الطائرات.

يحدث انعكاس التدفق في المقام الأول بسبب تدرج الضغط المعاكس المفروض على الطبقة الحدودية بواسطة التدفق المحتمل الخارجي . يتم التعبير عن معادلة الزخم في اتجاه التيار داخل الطبقة الحدودية تقريبًا على النحو التالي

${\displaystyle u{\partial u \over \partial s}=-{1 \over \rho }{dp \over ds}+{\nu }{\partial ^{2}u \over \partial y^{2}}}$

حيث تكون إحداثيات التيار والعمودي. يكون تدرج الضغط المعاكس عندما ، والذي يمكن رؤيته بعد ذلك أنه يتسبب في انخفاض السرعة على طول وربما يصل إلى الصفر إذا كان تدرج الضغط المعاكس قويًا بدرجة كافية. ^[5]${\displaystyle s,y}$${\displaystyle dp/ds>0}$${\displaystyle u}$${\displaystyle s}$

يعتمد ميل طبقة الحدود إلى الانفصال في المقام الأول على توزيع تدرج سرعة الحافة المعاكسة أو السلبية على طول السطح، والذي بدوره يرتبط بشكل مباشر بالضغط وتدرجه من خلال الشكل التفاضلي لعلاقة برنولي ، وهو نفس معادلة الزخم للتدفق الخارجي غير اللزج. ${\displaystyle du_{o}/ds(s)<0}$

${\displaystyle \rho u_{o}{du_{o} \over ds}=-{dp \over ds}}$

لكن الأحجام العامة المطلوبة للفصل أكبر بكثير للتدفق المضطرب مقارنة بالتدفق الرقائقي ، حيث يكون الأول قادرًا على تحمل تباطؤ تدفق أقوى بحوالي مرتبة من حيث الحجم. التأثير الثانوي هو رقم رينولدز . بالنسبة لتوزيع معاكس معين، تزداد مقاومة فصل طبقة حدودية مضطربة قليلاً مع زيادة رقم رينولدز. على النقيض من ذلك، فإن مقاومة فصل طبقة حدودية رقائقية مستقلة عن رقم رينولدز - وهي حقيقة غير بديهية إلى حد ما. ${\displaystyle du_{o}/ds}$${\displaystyle du_{o}/ds}$

يمكن أن يحدث انفصال الطبقة الحدودية للتدفقات الداخلية. يمكن أن ينتج عن أسباب مثل قناة الأنابيب المتوسعة بسرعة. يحدث الانفصال بسبب تدرج الضغط المعاكس الذي يواجهه التدفق أثناء تمدد التدفق، مما يتسبب في منطقة ممتدة من التدفق المنفصل. يسمى جزء التدفق الذي يفصل التدفق المعاد تدويره والتدفق عبر المنطقة المركزية للقناة بالتيار الفاصل. ^[6] تسمى النقطة التي يرتبط فيها التيار الفاصل بالجدار مرة أخرى بنقطة إعادة الالتصاق. مع تقدم التدفق إلى أسفل فإنه يصل في النهاية إلى حالة توازن ولا يكون له تدفق عكسي.

عندما تنفصل طبقة الحدود، تشكل بقاياها طبقة قص ^[7] ويؤدي وجود منطقة تدفق منفصلة بين طبقة القص والسطح إلى تعديل التدفق المحتمل الخارجي وحقل الضغط. في حالة الأجنحة، يؤدي تعديل مجال الضغط إلى زيادة في مقاومة الضغط ، وإذا كان شديدًا بدرجة كافية فسيؤدي أيضًا إلى توقف وفقدان الرفع، وكلها ظواهر غير مرغوب فيها. بالنسبة للتدفقات الداخلية، ينتج عن فصل التدفق زيادة في خسائر التدفق، وظواهر من نوع التوقف مثل زيادة ضغط الضاغط ، وكلاهما ظاهرتان غير مرغوب فيهما. ^[8]

تأثير آخر لفصل طبقة الحدود هو الدوامات المنتظمة التي تُعرف باسم دوامة كارمان . تتساقط الدوامات من السطح المنحدر أسفل الهيكل بتردد يعتمد على سرعة التدفق. ينتج تساقط الدوامات قوة متناوبة يمكن أن تؤدي إلى اهتزازات في الهيكل. إذا تزامن تردد التساقط مع تردد رنين الهيكل، فقد يتسبب ذلك في فشل هيكلي. يمكن إنشاء هذه الاهتزازات وانعكاسها بترددات مختلفة بناءً على أصلها في الأجسام الصلبة أو السائلة المجاورة ويمكن أن تخفف أو تضخم الرنين.

• نظرية الطوابق الثلاثة
• الديناميكا الهوائية
• مفارقة دالمبيرت
• تأثير ماغنوس

• أندرسون، جون د. (2004)، مقدمة في الطيران ، ماكجرو هيل. ISBN 0-07-282569-3 . 
• LJ Clancy (1975)، الديناميكا الهوائية ، دار النشر Pitman المحدودة، لندن ISBN 0-273-01120-0 . 

• Aerospaceweb-الغمازات والسحب في كرة الجولف
• الديناميكا الهوائية في المعدات الرياضية والترفيهية والآلات – الجولف – المدرب
• شبكة ماري كوري حول التطورات في الأدوات العددية والتحليلية للتنبؤ بالتدفق المنفصل أرشيف 2 نوفمبر 2018 على موقع واي باك مشين