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漫话卡门涡街及其应用
浏览:410 发布日期:2022-06-29

卡门涡街流量计是流体力学中重要的现象。在自然界中常可遇到,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,经过非线性作用后,形成卡门涡街。如水流过桥墩,风吹过高塔、烟囱、电线等都会形成卡门涡街。卡门涡街有一些很重要的应用,因此在学习流体力学时,有必要了解其研究历史及有关的应用情况。

 塔科玛峡谷桥(Tacoma  Narrow  Bridge)风毁事故的惨痛教训,使人们认识到卡门涡街对建筑安全上的重要作用。

涡街流量计.jpg

1940年,美国华盛顿州的塔科玛峡谷上花费640万美元,建造了一座主跨度853.4米的悬索桥。建成4个月后,于同年11月7日碰到了一场风速为19米/秒的风。虽风不算大,但桥却发生了剧烈的扭曲振动,且振幅越来越大(接近9米),直到桥面倾斜到45度左右,使吊杆逐根拉断导致桥面钢梁折断而塌毁,坠落到峡谷之中。当时正好有一支好莱坞电影队在以该桥为外景拍摄影片,记录了桥梁从开始振动到最后毁坏的全过程,它后来成为美国联邦公路局调查事故原因的珍贵资料。人们在调查这一事故收集历史资料时,惊异地发现:从1818年到19世纪末,由风引起的桥梁振动己至少毁坏了11座悬索桥。

第二次世界大战结束后,人们对塔科玛桥的风毁事故的原因进行了研究。一开始,就有二种不同的意见在进行争论。—部份航空工程师认为塔科玛桥的振动类似于机翼的颤振;而以冯卡门为代表的流体力学家认为,塔科玛桥的主梁有着钝头的H型断面,和流线型的机翼不同,存在着明显的涡旋脱落,应该用涡激共振机理来解释。冯·卡门1954年在《空气动力学的发展》一书中写道:塔科玛海峽大桥的毁坏,是由周期性旋涡的共振引起的。设计的人想建造一个较便宜的结构,采用了平钣来代替桁架作为边墙。不幸,这些平钣引起了涡旋的发放,使桥身开始扭转振动。这一大桥的破坏现象,是振动与涡旋发放发生共振而引起的。

20世纪60年代,经过计算和实验,证明了冯·卡门的分折是正确的。塔科玛桥的风毁事故,是一定流速的流体流经边墙时,产生了卡门涡街;卡门涡街后涡的交替发放,会在物体上产生垂直于流动方向的交变侧向力,迫使桥梁产生振动,当发放频率与桥梁结构的固有频率相耦合时,就会发生共振,造成破坏。

涡街流量计.jpg

卡门涡街不仅在圆柱后出现,也可在其他形状的物体后形成,例如在高层楼厦、电视发射塔、烟囱等建筑物后形成。这些建筑物受风作用而引起的振动,往往与卡门涡街有关。因此,现在进行高层建筑物设计时都要进行计算和风洞模型实验,以保证不会因卡门涡街造成建筑物的破坏。据了解,北京、天津的电视发射塔,上海的东方明珠电视塔在建造前,都曾在北京大学力学与工程科学系的风洞中做过模型实验。

实际上,卡门涡街并不全是会造成不幸的事故,它也有很成功的应用。比如己在工业中广泛使用的卡门涡街流量计,就是利用卡门涡街现象制造的一种流量计。它将涡旋发生体垂直插入到流体中时,流体绕过发生体时会形成卡门涡街,在满足一定的条件下,非对称涡列就能保持稳定,此时,涡旋的频率f与流体的流速v及涡旋发生体的宽度d有如下关系:

f=St(v/d)
其中St为斯特劳哈尔数,在正常工作条件下为常数。

卡门涡街流量计有许多优点:可测量液体、气体和蒸汽的流量;精度可达±1%(指示值);结构简单,无运动件,可靠、耐用;压电元件封装在发生体中,检测元件不接触介质;使用温度和压力范围宽,使用温度最高可达400℃;并具备自动调整功能,能用软件对管线噪声进行自动调整。



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