Вихревой сброс - Vortex shedding

Распад вихрей за круглым цилиндром. На этой анимации потоки на двух сторонах цилиндра показаны разными цветами, чтобы показать, что вихри с двух сторон чередуются. Предоставлено Чезарео де ла Роса Сикейра.

Вихрь сходит, когда ветер проходит Остров Херд (левая нижняя) в южной части Индийского океана привело к этому Карман вихревая улица в облаках

В динамика жидкостей, вихреобразование колеблется течь это происходит, когда жидкость, такая как воздух или вода, проходит мимо обрывистого (в отличие от обтекаемого) тела с определенной скоростью, в зависимости от размера и формы тела. В этом потоке вихри создаются в задней части тела и периодически отделяются с обеих сторон тела, образуя Вихревая улица фон Кармана. Обтекание объекта потоком жидкости создает переменное низкое давление. вихри на обратной стороне объекта. Объект будет стремиться двигаться в сторону зоны низкого давления.

Если конструкция обтекания не установлена жестко и частота образования вихрей соответствует резонансная частота конструкции, то структура может начать резонировать, вибрируя с гармонические колебания движимый энергией потока. Эта вибрация является причиной гудения проводов воздушных линий электропередач на ветру,^[1] и за трепет автомобиля штыревые радиоантенны на некоторых скоростях. Высокий дымоходы конструкция из тонкостенных стальных труб может быть достаточно гибкой, чтобы при потоке воздуха со скоростью в критическом диапазоне возникновение вихрей могло вызвать сильные колебания дымохода, которые могут повредить или разрушить дымоход.

Выделение вихрей было одной из причин отказа оригинального Tacoma Narrows Bridge (Galloping Gertie) в 1940 году, но был отклонен, поскольку частота распространения вихрей не соответствовала частоте моста. Мост действительно рухнул аэроупругий флаттер.^[2]

Захватывающая поездка "Головокружение " в Cedar Point в Сандаски, Огайо зимой 2001 г. пострадал от вихря, в результате чего одна из трех башен обрушилась. Поездка была закрыта на зиму.^[3] На северо-востоке Ирана Хашеми-Неджад НПЗ природного газа факельные трубы с 1975 по 2003 год семь раз переносился вихрями. Было проведено некоторое моделирование и анализ, которые показали, что основной причиной было взаимодействие пилотного пламени и факельной трубы. Проблема была решена удалением пилота.^[4]

Управляющее уравнение

Частота появления вихрей для бесконечного цилиндра связана с числом Струхаля следующим уравнением:

{ displaystyle mathrm {St} = { frac {fD} {V}}}

куда ${ displaystyle mathrm {St}}$ безразмерный Число Струхаля, ${ displaystyle f}$ - частота образования вихрей, ${ displaystyle D}$ - диаметр цилиндра, а ${ displaystyle V}$ - скорость потока.

Число Струхаля зависит от Число Рейнольдса ${ Displaystyle mathrm {Re}}$ ,^[5] но обычно используется значение 0,22.^[6] При четырех порядках величины числа Рейнольдса, от 100 до 100000, число Струхаля варьируется только от 0,18 до 0,22.^[5]

Смягчение эффектов образования вихрей

Винтовая тяга дымовой трубы

Обтекатели могут быть приспособлены к конструкции для обтекания конструкции, например, на крыле самолета.

Высокие металлические дымовые трубы или другие трубчатые конструкции, такие как антенные мачты или привязные кабели, могут быть оснащены внешним плавником со штопором (a Strake ), чтобы намеренно ввести турбулентность, чтобы нагрузка была менее изменчивой, а резонансные частоты нагрузки имели незначительные амплитуды.^[7] Эффективность спиральных полос для уменьшения вибрации, вызванной вихрями, была обнаружена в 1957 году Кристофером Скратоном и Д. Э. Дж. Уолшем в лаборатории. Национальная физическая лаборатория в Великобритании.^[8] Поэтому их часто называют полосами Скратона. Для максимальной эффективности подавления вихрей, вызванных воздушным потоком, каждое ребро или гребень должны иметь высоту около 10 процентов диаметра цилиндра. Длина каждого ребра должна быть примерно в 5 раз больше диаметра цилиндра.^[9]

А настроенный массовый демпфер может использоваться для уменьшения образования вихрей в трубах и дымоходах.

А Амортизатор Stockbridge используется для смягчения эоловые колебания вызванный распространением вихрей на воздушные линии электропередачи.

Смотрите также

Аэроупругий флаттер - вибрационные вихри - в качестве контраста
Вихрь
Вибрация, вызванная вихрем
Вихревая улица фон Кармана

использованная литература

^ Механическая вселенная: механика и тепло, расширенное издание, п. 326
^ К. Биллах и Р. Скэнлан (1991), Резонанс, разрушение моста через Такомский мост и учебники по физике для бакалавриата, Американский журнал физики, 59(2), 118--124 (PDF)
^ Маурин Быко (май 2002 г.). «Материалы дают повод для энтузиастов американских горок кричать». Общество минералов, металлов и материалов. Получено 2009-02-22.
^ «Инженерная служба». Получено 2016-06-22.
^ ^а ^б http://hmf.enseeiht.fr/travaux/CD0102/travaux/optmfn/gpfmho/01-02/grp6/pages/strouhal.htm
^ Дж. П. Ден Хартог (2013). Механические колебания. Dover Publications. п. 305. ISBN 978-0486131856.
^ Р. Дж. Браун. «VIV лекция» (PDF).
^ Scruton, C .; Walshe, D.E.J. (Октябрь 1957 г.) «Средство для предотвращения колебаний конструкций с круглым или почти круглым поперечным сечением, возбуждаемых ветром» Национальная физическая лаборатория (Великобритания), отчет по аэродинамике 335 (не опубликовано).
^ "Винтовые штрихи". ООО «ВИВ Солюшнз». Получено 19 января 2017.

внешние ссылки

Визуализация потока вихревого механизма на круглом цилиндре с использованием пузырьков водорода, освещаемых лазерным листом в водном канале. Предоставлено G.R.S. Асси.

[1] Механическая вселенная: механика и тепло, расширенное издание, п. 326

[2] К. Биллах и Р. Скэнлан (1991), Резонанс, разрушение моста через Такомский мост и учебники по физике для бакалавриата, Американский журнал физики, 59(2), 118--124 (PDF)

[3] Маурин Быко (май 2002 г.). «Материалы дают повод для энтузиастов американских горок кричать». Общество минералов, металлов и материалов. Получено 2009-02-22.

[4] «Инженерная служба». Получено 2016-06-22.

[travaux-5] а ^б http://hmf.enseeiht.fr/travaux/CD0102/travaux/optmfn/gpfmho/01-02/grp6/pages/strouhal.htm

[6] Дж. П. Ден Хартог (2013). Механические колебания. Dover Publications. п. 305. ISBN 978-0486131856.

[7] Р. Дж. Браун. «VIV лекция» (PDF).

[8] Scruton, C .; Walshe, D.E.J. (Октябрь 1957 г.) «Средство для предотвращения колебаний конструкций с круглым или почти круглым поперечным сечением, возбуждаемых ветром» Национальная физическая лаборатория (Великобритания), отчет по аэродинамике 335 (не опубликовано).

[9] "Винтовые штрихи". ООО «ВИВ Солюшнз». Получено 19 января 2017.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]