文档介绍：流体力学在涡街流量计中的应用
组员:李俊杰孙超周强马良博李露
卡门涡街的形成原理
卡门涡街的工程问题
卡门涡街流量计
总结
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简介
卡门漩涡又称卡尔曼漩涡,是粘性不可压缩流体力学所研究的一种现象。来流绕过某些物体时,物体尾流左右两侧产生的成对的、交替排列的、旋转方向相反的反对称漩涡,如图1所示。流体绕流高大烟囱、高层建筑、油管道、换热器管束时都会产生卡门漩涡。
图1 卡门涡街
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形成条件
流体绕流静止的圆柱体,当雷诺数很低时(Re<1),开始瞬间与理想流体绕流圆柱体一样,流体在前驻点速度为零,而后沿圆柱两侧流动,流动在圆柱体的前半部分是降压,速度逐渐增大到最大值,而后半部分是升压,速度逐渐下降,到后驻点速度重新等于0[图2(a)]。
随着雷诺数的逐渐增加,将使圆柱体后半部分的压强梯度增加,当Re>4时,将引起边界层的的分离,并在圆柱下游形成两个“附着涡”[图2(b)]。
当雷诺数增大到大约40时,在圆柱的后面便产生一对旋转方向相反的对称漩涡。当雷诺数超过40后,对称漩涡不断增长并摆动,直到Re=60时,这对不稳定的对称漩涡分裂,形成等间隔规则排列的涡列,这就是卡门漩涡[图2(c)]。
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图2 卡门涡街形成示意图
对于有规则的卡门涡街,只能在Re=60到5000内观察到,而且多数情况下涡街是不稳定的。研究发现,,卡门涡街才是稳定的。
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卡门涡街危害实例
20世纪40年代,美国塔科玛峡谷桥(a Narrow Bridge)风毁事故的惨痛教训,使人们认识到卡门涡街的重要性。
1940年,美国在华盛顿州的塔科玛峡谷上花费640万美元,。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。
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图3 桥面旋转扭曲振动和主梁损毁
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实例分析
对卡门涡街的实验研究表明,当流体绕流一根圆柱时,在雷诺数为200到50000时,柱后漩涡的脱体频率与绕流速度成正比,与圆柱体直径d成反比,即
其中Sr为斯特劳哈尔数,其数值与柱体的断面形状、柱体流道的相对尺寸以及流动雷诺数有关。
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。
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卡门涡街流量计原理
测量管道中流体流速时,由于管道和旋流发生器结构尺寸确定,根据不可压缩流体连续性方程可知:
图4 卡门涡街示意图
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