Вихревое излияние

Вихрь, идущий за круглым цилиндром. В этой анимации потоки на двух сторонах цилиндра показаны разными цветами, чтобы показать, что вихри с двух сторон чередуются. С любезного разрешения Чезарео де ла Роза Сикейра.

В гидродинамике , который возникает, когда жидкость, такая как воздух или вода , образование вихрей — это колебательный поток течет мимо обтекаемого (в отличие от обтекаемого) тела с определенными скоростями, в зависимости от размера и формы тела. В этом потоке вихри создаются в задней части тела и периодически отделяются от обеих сторон тела, образуя вихревую улицу Кармана . Поток жидкости мимо объекта создает чередующиеся вихри низкого давления на стороне выхода объекта. Объект будет стремиться переместиться в зону низкого давления.

Если обтекаемая конструкция закреплена не жестко и частота образования вихрей соответствует резонансной частоте конструкции, то конструкция может начать резонировать , вибрируя гармоническими колебаниями, вызванными энергией потока. Эта вибрация является причиной гудения на ветру проводов воздушной линии электропередачи. ^{[ 1 ]} и за трепетание автомобильных штыревых радиоантенн на некоторых скоростях. Высокие дымоходы, построенные из тонкостенных стальных труб, могут быть достаточно гибкими, поэтому в потоке воздуха со скоростью критического диапазона образование вихрей может привести к сильным колебаниям дымохода, которые могут повредить или разрушить дымоход.

Выброс вихрей был одной из причин, предложенных для разрушения оригинального моста через пролив Такома (Галопирующая Герти) в 1940 году, но был отклонен, поскольку частота образования вихрей не соответствовала частоте образования вихрей на мосту. Мост фактически рухнул из-за аэроупругого флаттера . ^{[ 2 ]}

Захватывающий аттракцион « VertiGo » в Сидар-Пойнт в Сандаски, штат Огайо , зимой 2001 года пострадал от вихря, в результате чего одна из трех башен обрушилась. В то время аттракцион был закрыт на зиму. ^{[ 3 ]} На северо-востоке Ирана Хашеми-Неджад газоперерабатывающего завода факельные трубы семь раз подвергались образованию вихрей с 1975 по 2003 год. Было проведено моделирование и анализ, которые показали, что основной причиной было взаимодействие пилотного пламени и факельной трубы. Проблема решилась удалением пилота. ^{[ 4 ]}

Основное уравнение

Частота, с которой происходит образование вихрей в цилиндре, связана с числом Струхаля следующим уравнением:

\mathrm {St} ={\frac {f\cdot D}{V}}

Где $\mathrm {St}$ – безразмерное число Струхаля , $f$ – частота образования вихрей (Гц), $D$ - диаметр цилиндра (м), а $V$ – скорость потока (м/с).

Число Струхаля зависит от числа Рейнольдса. $\mathrm {Re}$ , ^{[ 5 ]} но обычно используется значение 0,22. ^{[ 6 ]} Поскольку единицы измерения безразмерны, для переменных можно использовать любой набор единиц. Более четырех порядков числа Рейнольдса, от 10 ² до 10 ⁵, число Струхаля варьируется только между 0,18 и 0,22. ^{[ 5 ]}

Смягчение эффектов образования вихрей

Обтекатели могут быть установлены на конструкцию, чтобы оптимизировать обтекание конструкции, например, на крыле самолета.

Высокие металлические дымовые трубы или другие трубчатые конструкции, такие как антенные мачты или привязанные кабели, могут быть оснащены внешним штопорным ребром (поперечником ) , чтобы намеренно создавать турбулентность, поэтому нагрузка становится менее изменчивой, а частоты резонансной нагрузки имеют незначительные амплитуды. ^{[ 7 ]} Эффективность спиральных полос для снижения вибрации, вызванной вихрями, была обнаружена в 1957 году Кристофером Скрутоном и Д.Э.Дж. Уолшем в Национальной физической лаборатории Великобритании. ^{[ 8 ]} Поэтому их часто называют полосками Скратона. Для максимальной эффективности подавления вихрей, вызванных потоком воздуха, высота каждого ребра или ребра должна составлять около 10 процентов от диаметра цилиндра. Шаг каждого ребра должен быть примерно в 5 раз больше диаметра цилиндра. ^{[ 9 ]}

Настроенный демпфер массы можно использовать для уменьшения образования вихрей в дымоходах и дымоходах.

Демпфер Стокбриджа используется для смягчения эоловых вибраций , вызванных образованием вихрей на воздушных линиях электропередачи .

См. также

Аэроупругий флаттер - вихри, вызванные вибрацией - в качестве контраста.
Вихрь
Вихревая вибрация
Вихревая улица Фон Кармана

Ссылки

^ Механическая Вселенная: Механика и тепло, Расширенное издание , с. 326
^ К. Биллах и Р. Сканлан (1991), Резонанс, разрушение моста через сужение Такомы и учебники по физике для студентов , Американский журнал физики , 59 (2), 118–124 (PDF)
^ Морин Быко (май 2002 г.). «Материалы дают поклонникам американских горок повод кричать» . Общество минералов, металлов и материалов. Архивировано из оригинала 8 февраля 2007 года . Проверено 22 февраля 2009 г.
^ «Инжиниринговая служба» . Проверено 22 июня 2016 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б «Число Струхаля» . Архивировано из оригинала 1 мая 2010 г. Проверено 14 февраля 2020 г.
^ Дж. П. Ден Хартог (2013). Механические вибрации . Дуврские публикации. п. 305. ИСБН 978-0486131856 .
^ Р. Дж. Браун. «ВИВ-лекция» (PDF) .
^ Скратон, К.; Уолш, Д.Э. (октябрь 1957 г.) «Средство предотвращения колебаний конструкций с круглым или почти круглым поперечным сечением, возбуждаемых ветром», Национальная физическая лаборатория (Великобритания), Отчет по аэродинамике 335. (неопубликовано)
^ «Спиральные полосы» . ООО «ВИВ Солюшнс» . Проверено 19 января 2017 г.

Внешние ссылки

Визуализация потока механизма образования вихрей на круглом цилиндре с использованием пузырьков водорода, освещенных лазерным листом в водном канале. С разрешения GRS Асси.

[1] Механическая Вселенная: Механика и тепло, Расширенное издание , с. 326

[2] К. Биллах и Р. Сканлан (1991), Резонанс, разрушение моста через сужение Такомы и учебники по физике для студентов , Американский журнал физики , 59 (2), 118–124 (PDF)

[3] Морин Быко (май 2002 г.). «Материалы дают поклонникам американских горок повод кричать» . Общество минералов, металлов и материалов. Архивировано из оригинала 8 февраля 2007 года . Проверено 22 февраля 2009 г.

[4] «Инжиниринговая служба» . Проверено 22 июня 2016 г.

[travaux-5] Перейти обратно: ^а ^б «Число Струхаля» . Архивировано из оригинала 1 мая 2010 г. Проверено 14 февраля 2020 г.

[6] Дж. П. Ден Хартог (2013). Механические вибрации . Дуврские публикации. п. 305. ИСБН 978-0486131856 .

[7] Р. Дж. Браун. «ВИВ-лекция» (PDF) .

[8] Скратон, К.; Уолш, Д.Э. (октябрь 1957 г.) «Средство предотвращения колебаний конструкций с круглым или почти круглым поперечным сечением, возбуждаемых ветром», Национальная физическая лаборатория (Великобритания), Отчет по аэродинамике 335. (неопубликовано)

[9] «Спиральные полосы» . ООО «ВИВ Солюшнс» . Проверено 19 января 2017 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]