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边界层分离是一种流体的现象，是指原本紧贴物体表面流动的边界层脱离物体表面。
当固体在流体中运动（或是一静止固体放在运动的流体中），由于黏滞力的作用，在靠近固体表面的流体会出现边界层。依照局部流场的雷诺数不同，边界层内的流体可分为层流或是紊流。
若边界层受到逆压梯度的影响，使得边界层相对物体的速度渐渐下降，甚至接近0，此时就会出现边界层分离的现象。此时流体的流动脱离物体的表面，会产生涡流及涡旋。在空气动力学中，边界层分离会使得阻力上升，特别是因为位在物体前后流体的压强差上升，使得压差阻力变大。因此许多空气动力学及水动力学的研究都在探讨如何设计物体的表面及外形，以减缓边界层的分离，尽可能使边界层维持在物体的表面。由于紊流的边界层受到逆压梯度的影响较小，因此许多物体会刻意让表面不光滑，以产生紊流的边界层，例如网球上的绒毛、高尔夫球上的凹孔、滑翔机上的扰流器等。轻型飞机上会有涡旋产生器来控制边界层的分离，高攻角飞机（如F/A-18黄蜂式战斗攻击机）的机翼会有前缘延伸面，也是为了类似的目的。