第六讲涡街流量计课件.pptxVIP

1 第六讲 涡街流量计 u 卡门涡街是流体力学中重要的现象。 u 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。 u 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 u 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。 u 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。 u 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 u 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。 Ø 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。 u 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 u 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。 u 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 u 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。 u 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 u 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。 u 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 u 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； u 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 u 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。 Ø 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。 u 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 1911年 冯卡门 (发现涡街) 与钱学森 (出生) 概述 u 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： Ø f=Sr(v/d) Ø 其中Sr为斯特劳哈尔数，在正常工作条件下为常数。 斯特劳哈尔数与雷诺数关系曲线 概述 u 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： Ø 可得到与流量成正比的频率输出信号； Ø 被测流体本身即为振动体，故无机械可动部件； Ø 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； Ø 精度高(理论上可达到0.1%)； Ø 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 u 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。 Ø 涡街流体振动现象用于测量研究始于20世纪