卡门涡街的计算
卡门涡街升力系数
卡门涡街升力系数卡门涡街是流体力学中一种重要的现象，绝大多数人应该都能在日常生活中观察到类似的现象。
在我们插入一块扁平物体（如一块纸）在空气中迅速移动时，我们会看到后面产生一串循环的卷涡。
这种卷涡被称为卡门涡街。
卡门涡街可以在水流中、天气系统中、以及其他一些物理或工程现象中观察到。
卡门涡街的产生是由于流体通过一块物体（如流过一个圆柱体）时，流体因为惯性的缘故而无法完全紧密地球流通过物体。
流体分离并产生一系列的“边界层”，形成旋涡。
这些旋涡在物体的背面相互交替地脱落，并以交变的顺序形成卡门涡街。
卡门涡街的升力系数是描述卡门涡街在垂直方向上产生的力的一个参数。
在航空航天工程中，卡门涡街的升力系数对于飞行器的设计和性能分析非常重要。
卡门涡街的升力系数可以通过不同的实验方法或计算方法进行测量和计算。
一种常用的测量卡门涡街升力系数的方法是基于力平衡原理的试验测量。
通过在流体中放置一个模型，利用压力传感器测量流体对模型产生的压力分布，可以计算出卡门涡街产生的升力。
这种方法需要精确的测量设备和实验条件的控制，以获得可靠的结果。
另一种常用的计算卡门涡街升力系数的方法是数值模拟。
数值模拟可以通过在计算机上建立流体力学模型，并运用数值计算方法来求解流体的运动方程，从而获得卡门涡街的形状和属性。
数值模拟方法可以提供较为准确的升力系数计算结果，但需要大量的计算资源和工程经验。
当然，除了这两种方法，还有其他一些实验和计算方法可以测量和计算卡门涡街升力系数。
在实际工程中，一般会根据具体需求和条件选择不同的方法。
总结而言，卡门涡街升力系数是描述卡门涡街在垂直方向上产生的力的一个重要参数。
它可以通过试验测量和数值模拟等方法进行计算和评估。
在航空航天工程等领域中，准确测量和计算卡门涡街升力系数对于飞行器的设计和性能分析非常重要。
卡门涡街数值模拟
二、边界条件
1.5m Wall
Velocity inlet
Wall 0.02m
Outflow
0.8m
Wall 0.3m u=0.17894m/s ν=1.7894×10-5m/s Re=Ud/ν=200
三、网格划分
四、求解设置
四、求解设置
四、求解设置
四、求解设置
四、求解设置
四、求解设置
卡门涡街的数值模拟
目录
1 卡门涡街简介 2 边界条件 3 网格划分 4 求解设置 5 结果分析
一、卡门涡街简介
卡门涡街是流体力学中重要的现象，在一定条件下的定常来流绕过某些物 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。
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Lift coefficient
谢谢，请老师同学批评指正！
一、卡门涡街简介
原因：流体流经阻流体时，流体从阻流体两侧剥离，形成交替的涡流。 这种交替的涡流，使阻流体两侧流体的瞬间速度不同。流体速度不同， 阻流体两侧受到的瞬间压力也不同，因此使阻流体发生振动。
形成条件：卡门涡街形成的条件：对于在流体中的圆柱体雷诺数 （47<Re<105） 涡街频率：卡门涡街频率与流体速度和阻流体（旋涡发生体）宽度有如 下关系: f=SrV/d f=卡门涡街频率, Sr=斯特劳哈尔数, V=流体速度, d=阻流体迎面宽度 影响及应用：声响效应，引发共振，涡街流量计
四、求解设置
涡街流量计说明书
一. 工作原理在流体中设置三角柱型旋涡发生体，则从旋涡发生体两侧交替地产生两列有规则的旋涡，这种旋涡称为卡门涡街，如图(一)所示。
图(一)旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列。
设旋涡的发生频率为f ，被测介质来流的平均速度为V ，旋涡发生体迎流面宽度为d ，表体通径为D ，根据卡曼涡街原理，有如下关系式: f=St.V/〔（1-1.25d/D ）d 〕式中：f －发生体一侧产生的卡门旋涡频率St －斯特罗哈尔数 V －流体的平均流速 d －柱体流面宽度 D-管道内径在漩涡发生体中装入电容检测探头或压电检测探头及相应匹配电路，即可构成电容检测式涡街流量/传感器或压电检测式涡街流量传感器。
图（二）在曲线表中St ＝0.17的平直部分，漩涡的释放频率与流速成正比,即为涡街流量传感器测量范围度。
只要检测出频率f 就可以求得管内流体的流速，由流速V 求出体积流量。
Q ＝3600f/K 或M=ρ3600 f/K 式中：K ＝仪表常数（1/m ³）。
M=质量流量线性测量范围7×1062×104 5×103 可能测量范围 St 0．20．150．1ReQ＝体积流量（m³/h）ρ=介质密度（kg/m³）F=频率Hz二. 主要技术指标表(一)测量介质液体、气体、蒸汽（单相介质或可以认为是单相的介质）饱和蒸汽在干度≥85%时，可以认为是单相介质介质温度(℃)-40～+300； 350～450（电容式，协议订货）介质压力 1.6Mpa 2.5Mpa 4.0Mpa ≥4.0Mpa的规格协议订货允许振动加速度电容式传感器:1.0～2.0g 压电式传感器：≤0.2g不确定度 1.0级 1.5级 2.5级量程比8:1 10:1 15:1流量范围液体：0.35~7.0m/s 气体：5.0~60.0m/s 蒸汽：6.0~70.0m/s 规格满管式法兰卡装式规格为DN15-DN300插入式DN200-DN1500（超过DN1500可特殊订货）材质304，其他材质协议订货雷诺数正常2×10³~7*10 扩展1*10~7*10阻力系数满管式Cd≤2.6防护等级普通型：IP65 潜水型：IP68防爆等级本质安全型：EX（ia）ⅡCT2-T5 隔爆型：ExdⅡBT2-T5环境条件环境温度-40℃~+55℃（非防爆场所） -25℃~+55℃（防爆场所）相对湿度≤90%大气压力86~106kPa供电电源脉冲型12VDC～ +24VDC 电流型 12VDC～+24VDC 4-20mA 电池供电3.6V 输出信号频率脉冲信号2~3000Hz 低电平≤1V 高电平≥5V二线制4-20mA信号防爆型负载≤300Ω非防爆型负载≤500Ω三、传感器的选型3.1．尊敬的用户，当您要选用产品时，请仔细阅读选型样本，并做好以下工作：1．认真核对被测介质的工况条件：温度、压力、管径等工艺参数。
卡门涡街升力系数
卡门涡街升力系数卡门涡街现象源于流体力学中的黄蜂腰振动，是一种流体不稳定的现象。
卡门涡街的发生是由于流体在流动中遇到阻力时发生剪切力，从而形成涡旋，一部分涡旋沿着流体运动方向滚动流动，同时另一部分涡旋向相反方向滚动，这种现象被称为卡门涡街。
卡门涡街现象不仅在自然界中广泛存在，在许多实际应用中也是必须考虑的重要环节，比如汽车车身、桥梁、飞机机翼、水泵、水轮机等都会因涡街带来不良效果。
卡门涡街对物体的升力和阻力具有复杂的影响，因此在工程设计和模拟中，需要准确计算和预测卡门涡街的特性，以充分利用卡门涡街的升力增强和阻力降低效果。
卡门涡街涡量的大小和分布规律对物体升力的影响非常重要，目前主要的研究方法是通过流场模拟实验来获取涡量数据，分析卡门涡街的涡量分布和变化规律，并计算升力系数。
升力系数是衡量物体受到卡门涡街影响的指标之一，它是物体所受升力和单位动量流体动能相对于速度的比值。
其计算公式为：CL = L / (0.5*rho*V^2*A)其中，L为物体所受升力，rho为流体密度，V为流体速度，A 为物体所受流体作用面积。
升力系数的大小与物体的形状、角度、流速、流体密度等有关系。
在卡门涡街现象中，相同条件下，表观升力系数与卡门涡街的强度和发生位置密切相关。
升力系数的变化趋势与卡门涡街现象密切相关，如果能够在实际应用中将卡门涡街的发生和分散控制在某个适宜的范围内，就能够实现物体升力系数的最大化。
卡门涡街的控制技术主要包括两个方面：一是通过物体的几何形状和表面特征来调控卡门涡街的分布和强度；二是通过流场参数的调控来控制卡门涡街的形成和发生位置。
卡门涡街的控制措施包括：改变物体几何形状和表面特征，比如通过凸出物的作用、减小流体流动的曲率半径、增加物体的光滑程度等方式来改变物体所受的卡门涡街；通过改变物体的形状和表面特征来增加物体的升力，和降低物体所受的阻力；调整流体流动参数，在减小流阻的同时增加物体升力，比如利用氧气燃烧器、推进器、舵机等方式来控制流体速度、压力、温度等流动参数，从而成为可以控制卡门涡街强度和位置的关键因素；完善实验装置和流场模拟模型，通过数字模拟、三维可视化等方式，方便了卡门涡街的分析和控制效果的监测。
卡门涡街数值模拟
一、卡门涡街简介
原因：流体流经阻流体时，流体从阻流体两侧剥离，形成交替的涡流。 这种交替的涡流，使阻流体两侧流体的瞬间速度不同。流体速度不同， 阻流体两侧受到的瞬间压力也不同，因此使阻流体发生振动。
形成条件：卡门涡街形成的条件：对于在流体中的圆柱体雷诺数 （47<Re<105） 涡街频率：卡门涡街频率与流体速度和阻流体（旋涡发生体）宽度有如 下关系: f=SrV/d f=卡门涡街频率, Sr=斯特劳哈尔数, V=流体速度, d=阻流体迎面宽度 影响及应用：声响效应，引发共振，涡街流量计
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Frequency
Lift coefficient
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二、边界条件
1.5m Wall
Velocity inlet
Wall 0.02m
Outflow
0.8m
Wall 0.3m u=0.17894m/s ν=1.7894×10-5m/s Re=Ud/ν=200
三、网格划分
四、求解设置
四、求解设置
四、求解设置
四、求解设置
四、求解设置
四4
-0.6
-0.8
-1
4
6
time(s)
4
6
time(s)
0.20 0.15 0.10
Amplitude
0.05
0.00
8
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0.42
卡门涡街公式
卡门涡街公式卡门涡街（Karmanvortices）公式是流体动力学上最为重要的公式之一，它主要用来解释水涡力作用时不同流体中气流发生涡流现象。
这个公式是由前苏联物理学家卡门（T. vonKármá）在1930年代创立的。
卡门涡街公式（Karman vortices）常常用来研究和预测空气的流动行为，特别是它在研究气流绕流特性时非常有用。
卡门涡街公式常常被用来预测水涡力作用影响到不同流体中气流发生涡流现象时，这种涡流可能会带来危险，比如说机械设备腐蚀，结构受损，甚至爆炸。
在机械、航空、航天、水力发电等领域，卡门涡街公式都被广泛应用，为研究不同流体中的气流提供了有力的理论支持。
该公式有两个基本元素，即： Kármá公式和Leonard公式。
Kárm á公式是描述涡流的一种数学模型，用于计算涡流的压力变化，并用于预测空气动力学的流动行为。
Leonard公式计算涡流间的相互作用，包括涡流间的增强或减弱，以及涡流中间分布情况。
通过使用这两种公式，可以预测空气中不同流体中气流发生涡流现象时会发生什么情况，进而采取有效措施以防止空气中发生危险形势。
比如，飞行器在飞行时受到涡流影响，研究人员可以运用卡门涡街公式来预测涡流的行为，从而采取有效的防护措施，防止飞行器受到损害。
卡门涡街公式不仅被用来研究和预测空气中气流的流动行为，它还被用来研究和预测水体中的涡流现象，比如说水力发电厂等水利设施中的水流。
由于水力发电可以更有效地转换水流动能为电动能，使用上述公式研究水流行为可以帮助开发者更有效地改善水力发电设施，提高水力发电的性能。
卡门涡街公式被广泛用于当今的科学研究中，它不仅能提高流体动力学的研究水平，还能有效的预测空气和水体中的流动现象，为机械、航空、航天、水力发电等产业提供有力的理论支持。
卡门涡街公式为当代科学研究做出了巨大贡献，其历史地位和影响力不可低估。
卡门涡街的计算列子
圆柱直径ｄ＝0.02m，流场为0.5m×1.0m，上下面和左面设为速度入口速度为
u＝0.005m／s，v＝0m／s，流体材料为水，温度为20o C水的运动粘度υ＝1.007e-6m2/s，雷诺数Re＝ud／υ＝100
在gambit中对流场进行如下划分：
然后作网格如图：
为加速旋涡的分离，流场初始化时给流场加一个扰动，上半部分速度为0.005m/s，下半部分速度为0，（需要用到用户定义场函数功能），然后在初始化后如果速度后patch中调用该函
数，对整个流场进行初始化，结果如下图：
用双精度非稳态独立求解器，压力速度耦合用simplec算法。
迭代计算时，时间步长取0.005s。
迭代到380s计算结果如图，圆柱后出现有规则的交错排列的旋涡组合，称为卡门涡街：。
卡门涡街公式
卡门涡街公式
卡门涡街公式是物理学中的一个重要原理，它最初由19年代美国物理学家卡门涡街（Kármá）提出。
关于这个公式，有一句著名的格言：“它是如此之重要，以至于有人说，它解释了人类改变世界的一切”。
卡门涡街公式是一种研究来自摩擦的气体动力学过程的数学公式，它通过对飞机翼前缘的涡街来描述。
在这个过程中，飞机翼前缘将向两侧凹凸状的空气流量形成一个涡流区域，而涡街被认为可以在流体中传输和传播能量。
卡门涡街公式最终能够用于计算涡流力和涡街活动的结果，以及它们如何影响飞行性能。
通过这个公式，飞行员可以更好地控制飞行器，使其更安全、更有效地穿越空气动力，并且能够更高效地飞行。
此外，卡门涡街公式不仅用于航空领域，它也被用于其他理论研究领域，如船舶设计、工程流体动力学、叶轮技术，以及风力发电等。
它还可以用来计算城市风廓线和大气瞬变过程中发生的变化。
在知识经济时代，有效地学习和利用卡门涡街公式将会大大推进科研工作，发展现代技术和科学理论，从而使社会和文明更加发达。
我们不仅可以提高科学教育水平，还可以开拓新的科学领域，以及开发更多的高科技产品。
在今天的世界，卡门涡街公式在物理学、数学等学科中占有重要的地位。
它的出现，被认为是人类历史上最伟大的发明之一，其影响力将会持续发挥作用，超越世世代代。
它已经成为科学发展历程中不
可或缺的里程碑，也有效地提醒我们，只有遵循卡门涡街公式的原则，人类才能获得成功，继续推进宇宙的发展。
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卡门涡街的计算
一、现象简述
粘性不可压的定常来流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、并排列规则的双列线涡。
开始时，这两列线涡分别保持自身的运动前进，接着它们互相干扰，互相吸引，而且干扰越来越大，形成非线性涡街。
卡门涡街的形成与雷诺数有关，雷诺数为40-300时，脱落的涡旋有周期规律，雷诺数大于300，涡旋开始随机脱落，随着雷诺数的增大，涡旋脱落的随机性也增大，最后形成湍流。
现通过二维圆柱绕流问题对涡街现象进行数值模拟。
二、模型建立
几何模型建立如下，数值计算中雷诺数为200，即入口速度为
0.031m/s。
圆柱体半径为50mm.
三、创建网格
通过Ansys ICEM CFD进行预处理，生成二维平面网格。
观察发现，圆周周围网格较密，向外逐步变疏，同时圆周围有理想边界层。
四、计算结果
将所生成的网格导入FLUENT，检查网格质量合格后，通过二维求解器求解。
因为模型设定雷诺数为200，所以选择层流模式进行流动模拟。
默
认空气为默认材料，并采用系统默认的物性参数。
进一步定义边界条件，设置速度入口和出流边界。
应用SIMPLE速度-压强关联算法，通过二阶迎
风格式计算通量。
初始化后，先进行基于压力的定常求解。
而后将上一阶段求解结果作为之后非定常求解的初值进一步求解。
求解结束后生成的涡量云图如下：
计算最后阶段的静压云图如下：
速度云图如下：
五、问题、收获总结
收获：
1、初步了解了ICEM CFD和FLUENT的操作使用
2、简单了解了卡门涡街现象
例如：通过监视升力能看到升力系数随时间不断波动，且波动幅度在
逐步增大，后来渐渐稳定。
通过涡量云图看到了涡街的大致形态。
并
在定常计算过程中，观察到监控残差在不断的快速上下大幅度波动，
且波动幅度越来越大。
存在的问题：
1、只能大体知晓软件操作流程，对其中的物理意义和数学方法还无法理
解。
2、对于计算所得的数据也是一头雾水
3、软件使用并不熟练。
例如：
监控升力画出的曲线是可以以图片格式导出的（write）,可是我在一开始的操作过程中并没有这样做，导致最后找不到曲线图。
最开始使用FLUENT，不会按时间间隔导出数据，导致最后只能显示第200个时间间隔的数据，最后不得不重新计算。
像这样，还如诸多问题，有待解决。
六、相关理论学习及遇到的问题
1、雷诺数是表征粘性影响的物理量，其大小决定了粘性流体流动特性。
雷诺数小于2000时，流体是层流，大于4000，为湍流，2000到4000
之间为过渡阶段。
周期性卡门涡街对应的雷诺数为40-300。
2、除三类流动（准定常流动、流场变化速率很快的流动和流场变化速度
极快的流动）外某些状态反复出现的流动也被认为是非定常流动，例
如，脉流动（流场各点的平均速度和压强随时间周期性波动）。
而卡门
涡街就属于脉流动的一种。
3、该算例雷诺数等于200条件下，涡脱落的周期是25秒。
4、涡量是流体速度矢量的旋度，是描写旋涡运动常用的物理量。
问题
1、每次脱落的一对涡有哪些异同？
2、涡是不是不能单独一个出现？
3、涡的定义与结构是什么？。