Вихревой сброс

Эффект колебательного потока, возникающий при прохождении жидкости над тупым телом

Вихревой поток, вырывающийся за круговым цилиндром. В этой анимации потоки по обе стороны цилиндра показаны разными цветами, чтобы показать, что вихри с двух сторон чередуются. Предоставлено Cesareo de La Rosa Siqueira.

Образование вихрей, вызванное ветром у острова Херд ( внизу слева ) в южной части Индийского океана, привело к образованию этой вихревой дорожки Кармана в облаках.

В гидродинамике , вихреобразование представляет собой колебательный поток , который имеет место, когда жидкость, такая как воздух или вода, протекает 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 дорожку Кармана . Поток жидкости мимо объекта создает чередующиеся вихри низкого давления на стороне объекта ниже по потоку. Объект будет стремиться двигаться в сторону зоны низкого давления.

Если конструкция уклона не закреплена жестко, а частота вихреобразования совпадает с резонансной частотой конструкции, то конструкция может начать резонировать , вибрируя с гармоническими колебаниями, вызванными энергией потока. Эта вибрация является причиной гудения проводов воздушной линии электропередачи на ветру ^[1] и трепетания автомобильных штыревых радиоантенн на некоторых скоростях. Высокие дымоходы, изготовленные из тонкостенных стальных труб, могут быть достаточно гибкими, чтобы в воздушном потоке со скоростью в критическом диапазоне вихреобразование могло привести к сильным колебаниям дымохода, которые могут повредить или разрушить дымоход.

Вихревой сброс был одной из предполагаемых причин крушения оригинального моста Tacoma Narrows Bridge (Galloping Gertie) в 1940 году, но был отклонен, поскольку частота вихревого сброса не соответствовала частоте моста. Мост фактически рухнул из-за аэроупругого флаттера . ^[2]

На аттракционе « VertiGo » в Сидар-Пойнт в Сандаски, штат Огайо, зимой 2001 года произошел выброс вихрей, в результате чего обрушилась одна из трех башен. В то время аттракцион был закрыт на зиму. ^[3] На северо-востоке Ирана факельные трубы газоперерабатывающего завода Хашеми-Неджад семь раз страдали от выброса вихрей с 1975 по 2003 год. Были проведены некоторые моделирования и анализы, которые показали, что основной причиной было взаимодействие пламени запальной горелки и факельной трубы. Проблема была решена путем удаления запальной горелки. ^[4]

Основное уравнение

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

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

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

Число Струхаля зависит от числа Рейнольдса , ^[5] но обычно используется значение 0,22. ^[6] Поскольку единица измерения безразмерна, для переменных можно использовать любой набор единиц. Более чем на четыре порядка величины числа Рейнольдса, от 10 ² до 10 ⁵ , число Струхаля изменяется только между 0,18 и 0,22. ^[5] ${\displaystyle \mathrm {Re} }$

Смягчение последствий вихреобразования

Спиральный пояс на дымовой трубе

Обтекатели могут быть установлены на 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 спиральным ребром (полосой ) для преднамеренного введения турбулентности, поэтому нагрузка менее изменчива, а резонансные частоты нагрузки имеют незначительные амплитуды. ^[7] Эффективность спиральных полос для снижения вибрации, вызванной вихрями, была обнаружена в 1957 году Кристофером Скратоном и Д. Дж. Уолшем в Национальной физической лаборатории Великобритании. ^[8] Поэтому их часто называют полосами Скратона. Для максимальной эффективности подавления вихрей, вызванных потоком воздуха, каждое ребро или полоса должны иметь высоту около 10 процентов от диаметра цилиндра. Шаг каждого ребра должен быть примерно в 5 раз больше диаметра цилиндра. ^[9]

Настроенный инерционный демпфер на верхушке дымохода

Для уменьшения образования вихрей в дымовых трубах и дымоходах можно использовать настроенный инерционный демпфер .

Демпфер Стокбриджа используется для смягчения ветряных колебаний, вызванных вихреобразованием на воздушных линиях электропередачи .

Смотрите также

• Аэроупругий флаттер - вихри, вызванные вибрацией - в качестве контраста
• Вихрь
• Вибрация, вызванная вихрем
• Вихревая дорожка Кармана

Ссылки

1. Механическая вселенная: механика и тепло, расширенное издание , стр. 326
2. K. Billah и R. Scanlan (1991), Резонанс, разрушение моста Tacoma Narrows и учебники по физике для студентов бакалавриата , American Journal of Physics , 59(2), 118--124 (PDF)
3. Морин Быко (май 2002 г.). «Материалы заставляют любителей американских горок кричать». Общество минералов, металлов и материалов. Архивировано из оригинала 8 февраля 2007 г. Получено 22 февраля 2009 г.
4. "Engineering Service". Архивировано из оригинала 31 декабря 2015 г. Получено 22 июня 2016 г.{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
5. "Число Струхаля". Архивировано из оригинала 2010-05-01 . Получено 2020-02-14 .
6. JP Den Hartog (2013). Механические колебания. Dover Publications. стр. 305. ISBN 978-0486131856.
7. Р. Дж. Браун. «Лекция VIV» (PDF) .
8. Скрутон, К.; Уолш, Д.Э.Дж. (октябрь 1957 г.) «Средство предотвращения колебаний конструкций с круглым или почти круглым поперечным сечением, вызванных ветром» Национальная физическая лаборатория (Великобритания), Отчет по аэродинамике 335. (неопубликовано)
9. "Helical Strakes". VIV Solutions LLC . Получено 19 января 2017 г.

Внешние ссылки

• Визуализация потока вихревого механизма на круглом цилиндре с использованием пузырьков водорода, освещенных лазерным лучом в водном канале. Предоставлено GRS Assi.