第六讲 涡街流量计.pptVIP

概述 卡门涡街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。 概述 冯·卡门（Theodore von Kármán 1881~1963 超声速时代之父）是美藉匈牙利力学家，近代力学的奠基人之一，1881年5月11日生于匈牙利布达佩斯，1963年5月6日卒于德国亚琛。 1911年时，他在哥廷根大学当助教。博士生哈依门兹（Karl Hiemenz ）的任务，是设计一个水槽，使能观察到圆柱体后面的流动分裂，用实验来核对按边界层理论计算出来的分裂点。为此，必须先知道在稳定水流中圆柱体周围的压力强度如何分布。 哈依门兹做好了水槽，但出乎意外的是在进行实验时，发现在水槽中的水流不断地发生激烈的摆动。 概述 这时冯·卡门想，如果水流始终在摆动，这个现象一定会有内在的客观原因。 周末，冯·卡门用粗略的运算方法，试计算了一下涡系的稳定性。他假定只有一个涡旋可以自由活动，其他所有的涡旋都固定不动。然后让这一涡旋稍微移动一下位置，看看计算出来会有什么样的结果。 冯·卡门得到的结论是：如果是对称的排列，那么这个涡旋就一定离开它原来的位置越来越远；而对于反对称的排列，虽然也得到同样的结果，但当行列的间距和相邻涡旋的间距有一定比值对，这涡旋却停留在它原来位置的附近，并且围绕原来的位置作微小的环形路线运动。 概述 冯·卡门自己后来在书中写道：“我并不宣称，这些涡旋是我发现的。早在我生下来之前，大家已知道有这样的涡旋。 我最早看到的是意大利Bologna教堂中的一张图画。图上画着St.Christopher抱着幼年的耶稣涉水过河。画家在Christopher的赤脚后面，画上了交错的涡旋。” 概述 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。 概述 概述 概述 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。 概述 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。 概述 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（VSF），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。 概述 概述 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=Sr(v/d) 其中Sr为斯特劳哈尔数，在正常工作条件下为常数。 发展历史 涡街流量计（VSF）是20世纪中期发展的流量计，它具有以下一些特点： 可得到与流量成正比的频率输出信号； 被测流体本身即为振动体，故无机械可动部件； 几乎不受流体组成、密度、粘度、压力等因素的影响，适用介质范围广； 精度高（理论上可达到0.1%）； 与节流流量计相比它的压力损失小流量量程比宽（理论上可超过 38 ：1 ）。 发展历史 人们早期对涡街的研究主要是防灾的目的，如锅炉及换热器钢管固有频率与流体涡街频率合拍将产生共振而破坏设备。 涡街流体振动现象用于测量研究始于20世纪50年代，如风速计和船速计等。 60年代末开始研制封闭管道流量计--涡街流量计，诞生了热丝检测法及热敏检测法VSF。 70、80年代涡街流量计发展异常迅速，开发出众多类型阻流体及检测法的涡街流量计，并大量投放市场，像这样在短短几年时间内就达到从实验室样机到批量生产过程的流量计还绝无仅有。 发展历史 由于以上的优点，在涡街问世之初，受到了国内外流量工作者的广泛重视，并被