卡门涡街现象分析

卡门涡街现象分析1881年5月11日是著名的美国工程力学家卡门（1881-1963）的诞生纪念日。卡门出生在匈牙利的布达佩斯。他对人类最大的贡献是开创了数学、力学在航空、航天和其它工程技术领域的应用，为近代力学的发展奠定了基础。1911年卡门对流动的流体在圆柱体后留下的两排周期性旋涡进行了深入的研究，在理论上对这种旋涡做出了精辟的分析。这就是著名的卡门旋涡。卡门创建了美国航空科学学院，并把这所学院建设成了当时流体力学的研究中心和培训基地。卡门支持他的学生对火箭推进技术进行研究并和马利纳第一次证明能够设计出稳定持久燃烧的固体火箭发动机。一.卡门涡街现象实际流体绕流圆柱(管)体时，边界层分离所形成的旋涡在背流面有一定释放(脱落)规律，当Re90200时，背流面旋涡不断的交替生成及脱离，并在尾涡区形成交替排列、旋转方向相反、有规则且较稳定的两行旋涡，以比来流小得多的速度运动，这种现象称为卡门涡街(冯卡门首先实验测得)，又称卡门涡列。注意卡门涡街现象在Re60210都可以观察到，但有规则的卡门涡街在Re605000范围内，而只有Re90200范围内观察到的卡门涡街现象才是较稳定的。二.卡门涡街的利用及危害a.利用：测量流体来流速度及流量。卡门涡街中旋涡脱落频率f可表示为 5d 5式中St称为斯特罗哈尔数，是个无量纲量。当Re8001.510时，一般St0.21。因此利用这一特点可以制成卡门涡街流量计，即测得脱落频率f、圆柱外直径d后，因为fStSt0.21已知，则可以求得来流速度c，进而获得流量。b.危害：会产生振动及噪声，严重时产生共振及声振。卡门涡街时旋涡交替产生并脱落，因此将产生交变力，从而被绕流柱体产生振动及噪声；当交变力频率与柱体材料的固有频率接近时，便会产生共振现象，使振动加剧；振动会使周围空气发出声响效应，若其频率与柱体材料的固有频率接近时，又会产生所谓的声振，使振动及噪声加剧。如风吹电线时发出的呜呜声就是卡门涡街的结果；管式空气预热器中，若空气绕流管束时出现卡门涡街现象，会使管子破坏等等。涡街流量计是速度式流量计的一种，它以卡门涡街理论为基础，采用压电晶体检测流体通过管道内三角柱时所产生的旋涡频率，从而测量出流体的流量。涡街流量计广泛应用测量的介质有：蒸汽、气体、液体、油类等。三. 涡街流量计优点及局限性涡街流量计的优点：结构简单牢固，安装维护方便；适用的流体种类多。如液体、气体、蒸汽和部分混相流体；精度较高、范围较宽、压损小。涡街流量计的局限性：不适用于低雷诺数测量，故在高粘充、低流速、小口径情况下应用受到限制；旋涡分离的稳定性受流速的影响。要求有足够的直管段；力敏检测法对管道机械振动较敏感，不宜用于强振动场所；仪表在脉动流、混相流中尚欠缺理论研究和实践经验；涡街流量计在多年使用中，其效果并不理想，大致原因在产品的质量、选型不当，以及现场调整问题。四.涡街流量计的原理涡街流量计是基于卡门涡街原理而研制成功的一种具有国际先进水平的新型流量计，由于它具有其他流量计不可兼得的优点，自七十年代以来得到了迅速的发展，据有关资料显示，现在日本、欧美等发达国家使用涡街流量计的比例大幅上升，已广泛应用于各个领域，将在未来流量仪表中占主导地位，是孔板流量计最理想的替代产品，也是目前国内的首选流量计。1、涡街流量计具有以下特点：结构简单而牢固，无可动部件，可靠性高，长期运行十分可靠；安装简单，维修十分方便；检测传感器不直接接触介质，性能稳定，寿命长；输出是与流量成正比的脉冲信号，无零点漂移，精度高，并方便和计算机联网； 测量范围宽，量程比可达1：10；压力损失较小，运行费用低，更具节能意义；在一定的雷诺数范围内，输出信号频率不受流体物理性质和组份变化影响，仪表系数仅与漩涡发生体的形状和尺寸有关测量流体的体积流量无需补偿，调换配件后无需重新标定仪表的系数。应用范围广，蒸汽、气体、液体的流量均可测量；检定周期为二年。2、涡街流量计存在着一定的局限性：涡街流量计是一种速度式流量计，漩涡分离的稳定性受流速分布影响，故它对直管段有一定的要求，一般是前10D，后5D；测量液体时，上限流速受压损和气蚀现象限制，一般是10m/s。测量气体时，上限流速受介质可压缩性变化的限制，下限流速受雷诺数和传感器灵敏度的限制，一般气体的流速范围10-70m/s，蒸汽的流速范围为8-50m/s；应力式涡街流量计对振动较大敏感，故在振动较在的管道安装涡街流量计时，管道要有一定的减震措施；应力式涡街流量计采用压电晶体作为检测传感器，故其受温度的限制，一般长期工作温度为-40+350和-10+250。五.卡门涡街的应用卡门涡街可以解释许多现象。在冯卡门论文发表后，英国物理学家约翰威廉斯特拉斯瑞利勋爵最先应用卡门涡街理论，他在1915年发表一篇论文，用卡门涡街的交替旋涡解释风弦琴发声的原理。风弦琴在十八世纪欧洲流行，在木制共鸣箱上安装几条琴弦，风吹琴弦，产生卡门涡街，卡门涡街频率和琴弦的固有频率发生共振而发声。中国古代在风筝上安装竹片，风吹发声如筝，也是卡门涡街原理造成的。其他例子包括风吹电线发声等等。1937年德国物理学家古切（F. Gutsche）， 用卡门涡街解释为什么船舶的螺旋桨在水中发出的声音。一位法国潜水艇水兵告诉冯卡门，当他那艘潜艇的航速超过7节时，潜望镜的旋涡和潜望镜的固有频率发生共振，因此潜望镜完全不能使用。1950年英国物理学家卡尔文冈维尔（Calvin Gongwer）用卡门涡街解释为什么船舶的水翼，以及潜水艇的螺旋桨会发出高频率的声音；当时美国一艘核潜艇的螺旋桨就有这个毛病，在水下潜行时容易被敌方的声纳探测出来。他和老师冯卡门一道研究出改进美国核潜艇的螺旋桨的方法，解决了这个问题。3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。卡门涡街还可能引起建筑物倒塌。最著名的天灾是1940年11月7日美国华盛顿州塔科马海峡吊桥（Tacoma Narrow Bridge）崩塌事件。塔科马海峡吊桥倒塌后第二天，华盛顿州州长宣布该座吊桥的设计牢靠，计划按同样设计重建。冯卡门觉得此事不妥，便觅来一个塔科马海峡吊桥模型带回家中，放在书桌上，开动电扇吹风，模型开始振动起来，当振动频率达到模型的固有频时，发生共振，模型振动剧烈。果然不出所料，塔科马海峡吊桥倒塌事件的元凶，正是卡门涡街引起桥梁共振。其后冯卡门令助手在加州理工学院风洞内，进一步测试塔科马海峡吊桥模型，取得数据，然后发一份电报给华盛顿州州长：“如果按旧设计重建一座新桥，那座新桥会一模一样的倒塌”。州长设立一个塔科马海峡吊桥倒塌事件考察小组，冯卡门系成员之一。经一番争论，冯卡门终于说服当时不懂空气动力学知识的桥梁设计师