Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Распад вихрей за круговым 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.
Вихревые потоки, возникающие при прохождении ветров над островом Херд ( внизу слева ) в южной части Индийского океана, привели к образованию вихревой улицы Кармана в облаках.

В динамике жидкости , вихри являются осциллирующей поток , который имеет место , когда жидкости , такие как воздух или воду течет мимо обрыва (в отличие от обтекаемого тела) при определенных скоростях, в зависимости от размера и формы тела. В этом потоке вихри создаются в задней части тела и периодически отслаиваются с обеих сторон тела, образуя вихревую дорожку Фон Кармана . Обтекание объекта потоком жидкости создает чередующиеся вихри низкого давления на стороне выхода объекта. Объект будет стремиться двигаться в сторону зоны низкого давления.

Если структура обтекания не установлена ​​жестко и частота образования вихрей соответствует резонансной частоте конструкции, тогда конструкция может начать резонировать , вибрируя с гармоническими колебаниями, вызванными энергией потока. Эта вибрация является причиной гудения проводов воздушной линии электропередачи на ветру [1], а также колебания автомобильных штыревых радиоантенн на некоторых скоростях. Высокие дымоходы, построенные из тонкостенных стальных труб, могут быть достаточно гибкими, чтобы при потоке воздуха со скоростью в критическом диапазоне возникновение вихрей могло вызвать сильные колебания дымохода, которые могут повредить или разрушить дымоход.

Вихрь был одной из причин, предложенных для разрушения оригинального моста Tacoma Narrows Bridge (Galloping Gertie) в 1940 году, но был отклонен, потому что частота вихря не соответствовала частоте моста. Фактически мост 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. Поездка была закрыта на зиму. [3] На северо-востоке Ирана факельные трубы завода по переработке природного газа Хашеми-Неджад испытали вихревое расслоение семь раз с 1975 по 2003 год. 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 [ править ]

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

Где - безразмерное число Струхаля , - частота образования вихрей (с -1 ), - диаметр цилиндра (м), - скорость потока (мс -1 ).

Число Струхаля зависит от числа Рейнольдса , [5] , а значение 0,22 обычно используются. [6] Более четырех порядков по числу Рейнольдса, от 100 до 100000, число Струхаля колеблется только между 0,18 и 0,22. [5]

Смягчение эффектов образования вихрей [ править ]

Винтовая тяга дымовой трубы

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 штопорным плавником ( ремнем ) для преднамеренного введения турбулентности, 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. Дж. Уолшем в Национальной физической лаборатории 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. Шаг каждого ребра должен быть примерно в 5 раз больше диаметра цилиндра. [9]

Настроенная демпфирующая масса может быть использованы для уменьшения вихрей в штабелях и дымовых трубах.

Стокбриджи демпфер используются для уменьшения эоловых вибраций , вызванных вихрями на воздушных линиях электропередачи .

См. Также [ править ]

  • Аэроупругий флаттер - вихри, вызванные вибрацией - в качестве контраста
  • Вихрь
  • Вибрация, вызванная вихрями
  • Вихревая улица фон Кармана

Ссылки [ править ]

  1. ^ Механическая вселенная: механика и тепло, расширенное издание , стр. 326
  2. ^ К. Биллах и Р. Сканлан (1991), Резонанс, Разрушение моста через Такома и учебники физики для студентов , Американский журнал физики , 59 (2), 118-124 (PDF)
  3. ^ Морин Byko (май 2002). «Материалы дают энтузиастам американских горок повод кричать» . Общество минералов, металлов и материалов . Проверено 22 февраля 2009 .
  4. ^ «Инженерная служба» . Проверено 22 июня 2016 .
  5. ^ a b http://hmf.enseeiht.fr/travaux/CD0102/travaux/optmfn/gpfmho/01-02/grp6/pages/strouhal.htm
  6. ^ JP Den Hartog (2013). Механические колебания . Dover Publications. п. 305. ISBN 978-0486131856.
  7. ^ RJ Браун. "VIV Лекция" (PDF) .
  8. ^ Scruton, C .; Walshe, DEJ (октябрь 1957 г.) «Средство для предотвращения ветровых колебаний конструкций с круглым или почти круглым поперечным сечением» Национальная физическая лаборатория (Великобритания), отчет по аэродинамике 335 (не опубликовано).
  9. ^ "Винтовые штрихи" . ООО «ВИВ Солюшнз» . Проверено 19 января 2017 года .

Внешние ссылки [ править ]

  • Визуализация течения механизма образования вихрей на круглом цилиндре с использованием пузырьков водорода, освещаемых лазерной пластиной в водном канале. Любезно предоставлено GRS Assi.